LTspiceによるTLSスピーカーエンクロージャーの設計

LTspiceで有限要素法による音響管の1次元モデルのシミュレーションを行いました。

こちらのリンクが参考になります。

§7 : 回路シミュレーションによるホーン解析とキャビネット設計への応用

まず、LTspiceによる音響管の回路モデルです。1次元モデルで100分割しています。音響管の断面積や開放端の断面積と長さはそれぞれこちらのエンクロージャの設計値から取っています。音響管の長さは仮に3.4mとしています。空気密度と音速は15℃の値としています。

分布定数回路による音響管の音響回路

こちらが閉端(赤:入力)と開放端(緑:出力)の体積流(AC解析による入力と出力の電流値)と群遅延です。

出力のグラフから34Hzを基本波として奇数次の高調波が共振していることがわかります。

閉端(赤:入力)と開放端(緑:出力)の体積流

5次高調波より高次の共振はエンクロージャー内の吸音材でできるだけ吸収する必要があります。吸音率を抵抗値としてモデルに組み込めますが、設計目標としては、最低共振周波数と音響管の長さやエンクロージャーの断面積および開放端の面積と長さ(丸穴や角穴の場合は穴の面積と板厚。MLTLの場合はダクトの断面積と長さ)の関係が把握できれば十分なので、この程度のシミュレーションで用は足ります。

D級アンプの出力段:スイッチングノードとLPF

D級アンプの出力段は、通常、

MOSFET、コイル、コンデンサで構成されます。

 

特に重要なのが、

スイッチングノードとLPFの構成です。

まず、スイッチング素子としてはMOSFETを通常、用いますが、

どのような特性を重視すべきでしょうか?

 

結論としては、ゲート電荷(Qg)と出力容量(Coss)になります。

オーディオ用途としては、D級アンプの効率は十分高いため、

オン抵抗はそれほど問題になりません。

音質(サンプリング精度)に直接、影響する、

高速なスイッチングのためには、

ゲート電荷と出力容量が小さい方が有利です。

 

また、電源のバイパスコンデンサには、

大容量で低ESRのスイッチング用途の

電解コンデンサが通常、用いられます。

 

LPFのコイルとコンデンサは、

スピーカーを駆動するために、

電流定格が十分大きなものが必要になります。

D級パワーアンプの実態としては、

1MHz程度のサンプリング周波数により

オーディオ信号でPWM変調する

スイッチング電源に、

スピーカーケーブルがアンテナになって妨害電波をまき散らしたり、

搬送波などの高調波でツイーターを飛ばさないように、

EMI対策として

スピーカー駆動用のLPFがついた

構成になります。

 

ヘッドホン用のソリューションなどには、

LPFのない構成もありますが、

専用のコントローラICが必要になります。