現在、再生システムではスピーカー本来の性能をできるだけ素直に引き出すことを重視しています。そのため、音質への影響を最小限に抑える構成として、一般的なLCネットワーク(受動型クロスオーバー)ではなく、チャンネルディバイダー(アクティブクロスオーバー)方式を採用しています。
一般に、パッシブLCネットワークが問題として指摘される主な点は、①インダクタ(L)の直流抵抗(DCR)によって実効ダンピングファクタが低下し、とくに低域における制動が弱まる可能性があること、②LC素子が周波数に応じた位相回転を生じさせること、の二点です。
ダンピングファクタは、アンプ側から見た回路条件に基づき、アンプ出力インピーダンスと負荷インピーダンスの比として定義される指標です。しかし、実際の制動力は、スピーカーの運動によって発生した逆起電力に起因する電流が、制動力の発生源であるスピーカー側から見た回路条件によってどのように流れるかで決まります。この新たなスピーカー側から見たインピーダンスを基準に評価することにより制動電流が実際にどのように流れているかをより正確に把握することができます。
本ページでは、アンプ側から見た指標だけでなく、スピーカー側から見た回路条件を基準に、LCネットワークが制動および位相特性に与える影響を検証しています。
図は、インピーダンス8Ωのウーファーに12dB/Oct型、クロスオーバー400Hz のハイカット用LCネットワークを接続する場合の回路です。
この回路において、ウーファーの制動電流に影響する合成インピーダンス、即ち、ウーファー側から見た制動回路の合成インピーダンスを求めてみます。
この測定回路の赤い部分から信号を供給し、電流を測定することによってウーファー側から見た制動回路の合成インピーダンスを求めることができます。
前記の測定回路をシミュレーションで実現できるようにして、合成インピーダンスを描かせたものです。
確認のために、測定回路を実際にコイル(5.9mH)、コンデンサ(47μF)、抵抗(8Ω)を使って構成し、測定によって描かせた合成インピーダンスのグラフです。シミュレーションで描かせたものとほぼ同じ結果となっています。
このように、LCネットワーク回路の合成インピーダンスは、計算(シミュレーション)によっても実際の回路に近い結果を得ることができます。
ここでLCネットワークを接続することによる影響を調べるために、接続による合成インピーダンスの増加分のみをシミュレーションにより描いてみました。即ち、前述のグラフからウーファーのインピーダンス8Ωを差し引いたグラフです。
グラフでは100Hzでインピーダンスが約1Ω増加しており、それ以上の周波数では急激に増加していることが分かります。このように、LCネットワークの採用によって、制動回路では制動電流に影響を及ぼすインピーダンスがかなり増加します。
なお、100Hz以下では、後述のようにキャビネットに取り付けた状態の共振周波数に近付いてゆくため、スピーカー・ユニット自体のインピーダンスが高くなってゆきます。結局、ウーファーでは12dB/Oct型のLCネットワークを採用した場合、殆どの帯域でインピーダンスが増加して制動電流が流れ難い状態になってしまいます。
比較のためにコイル1個(3.2mH)だけで構成する6dB/Oct型についてシミュレーションを行ってみました。
グラフではインピーダンスが1Ω増加するのは約200Hzからで、クロスオーバーの400Hzでは3.3Ωと、12dB/Oct型に比べるとインピーダンスの増加が少なくなっています。ただ、減衰率が少ないため影響の範囲は広がり、約-6dBとなる600Hzではインピーダンスが約6.5Ω増加しています。
低音域では、スピーカーで発生する制動電流が流れ難くなると音質が悪化すると言われてきました。従って、制動電流を流れ易くするためにその経路のインピーダンスはできるだけ低くする必要があります。
これまで制動電流にダンピングファクターが大きく関係しているということで、パワーアンプの出力インピーダンスとスピーカーケーブルのインピーダンスがよく取り上げられてきました。パワーアンプの仕様にダンピングファクターが100と記述されている場合、その出力インピーダンスは0.08Ωです。また、直径Φ2mmのスピーカーケーブルでは往復10m分のインピーダンス(直流抵抗)が約0.26Ωとなっています。
しかしながら、これらのインピーダンスに比べ、ここで述べてきたLCネットワークによるインピーダンスの増加分の方がかなり大きくなる場合があり、その影響の大きさをご理解頂けると思います。
ちなみに、LCネットワークに使用されるコイルとして空芯コイルを使用するか、それともコア・コイルとするか、また、コイルの線径は太い程インピーダンス(直流抵抗)が低くなって好ましいがどの程度まで太くする必要があるのか、迷うところです。線径 Φ1.4mmを使用した5.9mHのコイルとして、空芯コイルでは約0.9Ω、コア・コイルで約0.3Ωの例があります。確かに空芯コイルとした方が直流抵抗が0.6Ω高くなってその影響も考えられますが、それに比べると100Hz以上の帯域におけるLCネットワークによるインピーダンスの増加分はさらに大きなものであり、こちらの音質への影響の方が大きな問題と言えます。
次に、同様にしてインピーダンス8Ωのミッドレンジについて調べてみます。図のような12dB/Oct型、クロスオーバー400Hzのローカット用 と、12dB/Oct型、クロスオーバー4KHzのハイカット用LCネットワークを接続する場合について、ミッドレンジの制動電流に影響する合成インピーダンスのLCネットワークによる増加分を調べてみます。
グラフの赤い線が合成インピーダンスの増加分です。
400Hz~4KHzの再生帯域に対して、736Hz~2191Hz以外の帯域では、LCネットワークによるインピーダンスの増加分がミッドレンジのインピーダンス8Ωを上回っています。
最後に、同様にしてインピーダンス8Ωのトゥイーターについて調べてみます。図のような12dB/Oct型、クロスオーバー4KHzのローカット用LCネットワークを接続する場合について、トゥイーターの制動電流に影響する合成インピーダンスのLCネットワークによる増加分を調べてみます。
赤い線のグラフで示している合成インピーダンスの増加分は、3541Hz~7794Hzというトゥイーターにとって非常に重要な帯域で、トゥイーターのインピーダンス8Ωを上回っています。
これまで、LCネットワークを採用した場合、低域ではダンピングファクターが問題視されてきました。高域になると今度はLC素子が周波数に応じた位相回転を生じさせ、位相が音質に及ぼす影響が問題視されてきました。
新たに、スピーカー側から見た回路条件で制動回路の合成インピーダンスの様子を求めてきましたが、これらのインピーダンスの増加分は全てLC素子によるものです。LやCは本質的に位相を変化させる素子であるため、求めて来たインピーダンスの増加分は制動電流の位相までも変化(制動力は低下)させていることを意味しています 。
このような位相変化の影響は位相余裕等アンプの動作にまで及ぶ可能性があります。
制動電流の減少と位相変化は、トランジェントの鮮鋭度や音像の輪郭に直接的な影響を与えるため、振動の収束が遅れることによる切れの悪さ、滲みや輪郭の甘さとして感じられるようになります。
ここで、増加するインピーダンスの状況をスピーカーシステムの全帯域で表示してみます。
これまでLCネットワークによるものを説明してきましたが、その他にもキャビネットに取り付けたウーファーの共振によるものがあり、200Hz以下は、ほぼそのインピーダンスの増加分となります。グラフではウーファーの例として Fostex FW208HS を使用し、その取扱説明書に紹介されているバスレフ型キャビネットに取り付けた特性を元に表示しています。
LCネットワークでは、レベルを調整するためにアッテネーターを用いることが多くなりますが、その場合はさらにインピーダンスが増加することになります。
以上のようにスピーカーシステムにLCネットワークを採用すると、ほぼ全域に渡ってインピーダンスが増加するようになります。従って、全帯域で制動力低下や位相への影響を受けてしまいます。
LCネットワークではこの他にもコンデンサーの材質による音への影響、コイルやアッテネーターの直流抵抗によるインピーダンスの増加等様々な問題が存在しています。これらは音や音場にとって弊害となり、採用しているスピーカーユニットが高音質になる程、その影響は大きくなってきます。そしてスピーカーユニット等が改善されたとしてもその質はある一定のレベルを超えることができなくなってしまいます。これらの問題は殆どが原理に起因するものであるため改善の余地は少なく、即ち、スピーカーシステムで音や音場の進化を目指すのであれば「LCネットワークは採用できない」という判断をしています。
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