2023年4月27日木曜日

230428 カットオフ周波数可変 24db/oct. LPF キッチン用サブウーファーアンプの製作

こんにちはHousukeです。

前回「230324 Amazonで購入したAMP基板 TPA3116D2…」でもお知らせをした　24db/oct. カットオフ周波数可変 LPF(ローパスフィルター)を使ったキッチン用のサブウーファーアンプを製作しました。
サブウーファーは、小さなスピーカーと組み合わせようとすると、どうしてもクロスオーバー周波数が高くなって、音像がウーファー側に引っ張られて不自然になります。たまたま、アンプ付サブウーファーにサブウーファーアンプを繋ぐことがあったのですが、音像が引っ張られることなく良好でした。今回、その時の24db/oct.のLPF付サブウーファーを再現・製作しようと考えたわけです。

試しに、24db/oct.のLPFの減衰特性はどんなものなのか、EXCELでグラフにしてみました。
CR 1段が6db/octとして、4段を連結した回路を想定しています。
久しぶりのEXCELでボケ防止のトレーニングにはなったのですが...
減衰特性が鋭いことは判ったのですが、これを実際のウーファーに繋いで、その再生音がどうなるのかまではピンと来ません。
いつものように、実物を作って音を聞いてから考えることにしました。

🐦 製作 🐦
<ブロック図>
  • 音源は、TV、iPadの他スマホなど、有線と無線で3系統を想定しています。
  • キッチンの片隅に置きたいので、パワーアンプは超小型のUSB電源 3Wにしました。
    スピーカーを繋ぐと、チャリチャリと鳴って直流電流が流れているようなので、2200μF/16Vの電解コンデンサーを無極性になるように 2個直列にしてスピーカーの配線に組入れました。(VOLを上げた時、ボコッ.. ボコッ.. と音が途切れる現象［リミッター？］が発生していましたが、それも殆どなくなりました。)
  • 音量VOLはマスターと、L・R、サブウーファーの それぞれに付けています。
  • サブウーファーのフィルターにはカットオフ周波数可変LPF 24db/oct.の他に53Hz LCF(ローカットフィルター) 12db/oct. を追加しました。
    <SONY サブウーファー SS-WS6>
    今回使う、SONYのサブウーファー SS-WS6(16cm4Ω)は、35Hzより低い周波数の音が歪むことが分かっているのでその超低音域をカットしたいのと、小さい3Wのアンプの負荷を軽くしたいのが理由です。
  • ウーファー側の能率が低いので入力バッファアンプに 10db程度のゲイン(増幅率)を持たせました。
  • サラウンドなどのエフェクターも接続できるように、SWで切替えるようにしました。
<ミキシング回路>
ミキシングの他、電源の供給など配線の中央部になります。
パワーアンプなどを後から交換しやすいように、周辺の回路との配線はねじ式のターミナルにしました。また、電源は+5Vの他に、ACアダプタ(20V程度)から直に供給する端子も付けておきました。

<LCF＆LPF部>
OPアンプとトランジスタを使いました。トランジスタだと回路を目で追いやすいので、製作が楽です。と言うか、組み終えて電源を入れた時、まずマトモに動作することはないので、大体は未配や誤配などのミスを探すことになります😗。同じ理由で、LPFの周波数可変VOLの配線も3Pのコネクタリード線で外に引っ張り出して判りやすくしました。

LPFの周波数可変は 4段なので 4連VOLが欲しいところですが、今時そんなものはないので 2連VOLを×2個使いにしました。

<5V電源>
VKLSVAN LM2596 DC-DC降圧コンバータ ×5個入り
Amzon： 496円 prime
モジュールICが偽物の可能性あり：Youtube番組の“ICHIKEN“氏が指摘しています。

<パワーアンプ>
VKLSVAN PAM8403 3W×2 デジタル アンプ基板 ×5個入り
Amzon： 750円 prime

シルク印刷誤表記あり：スピーカー出力の片方は＋－が逆になっています。入力のLGBはLGRが正解です。Youtube番組の“ぽっちりんぐ”氏が指摘しています。
ノイズフィルターが付いてないことも指摘されているので、次の🐦 調整・試聴 🐦で、ノイズの影響をAMラジオを使った簡易的な方法ですが確認した結果を報告しています。

<Bluetooth 5.0 基板>
Sakmura
Amzon： 279円 送料100円
画像では見当たりませんが、ミキシング回路基板の下に両面テープで取り付けています。

<組立>
ケースは百均セリア 蓋付きアクリルケースを使いました。


🐦 調整・試聴 🐦
テスト音源としてYoutubeで公開されているスイープジェネレーターの動画を使用しました。

サブウーファーの音のつながりがベストになるようにLPFの調整VOLとサブウーファーの音量VOLを調整しました。この時、LPFの調整用VOLが中央だったので、計算上カットオフ周波数は 117Hzとなります。ウーファーの方向から音が出ている感じは殆どありません。
以前使っていた12db/oct.100Hzのアンプでは、サブウーファーから音声などはっきり聞こえていたので、それから比べると急峻なカットオフ特性というか音像定位の自然さを確認できました。当初の狙い通り、音像がウーファに引っ張られない自然な音場のサブウーファーシステムになりました。
  •  20～20KHz間のスイープでは(聴感)、40Hzから急に大きくなり、50Hzから2～3KHz辺りまでほぼフラットに聞こえました。4～7KHzはやや大きめで、8KHz辺りから徐々に減衰します。
  • 3Wのパワーアンプは小さい気がしましたが、よく響くフローリングの床が助けたのか、我が家のキッチンでは充分な音量で鳴りました。(電源電圧は、PAM8403のデータシート上の max値5.5Vにしています。)
  • デジタルアンプのノイズ(不要輻射)をAMラジオでNHK第一 594KHzを受信して確認しました。
    受信したAM放送の再生音に、5～600Hzのハーモニー音のようなノイズが気にならないくらいのレベルで重畳していました。ラジオを10cmくらい遠ざければ消えるし、医療機器があるわけではないので、我が家では問題なしと考えました。
    このノイズは空中に放射されたものなので、スピーカーラインにフィルタを入れたくらいでは抑えきれないような気がします。

次回、ステレオ音源が広がって聞こえるエフェクターの製作を考えています。心地よい音空間造りには昔(50年越し)からやり残した感があっていまだに執着しています。
🎲 メモ 🎲
  • uxcell 電解コンデンサ 2200uF 16V ×10 (Amazon 874円 Prime)
  • EasyWordMall ユニバーサル基板 5×7cm ×10 (Amazon 450円 Prime)
  • uxcell 可変抵抗器 RV097NS 20KΩ ×5 (Amazon 690円 Prime)
  • Cleqee L型 バナナプラグ 24k 金メッキ 8個入り (Amazon 999円 Prime)
  • VKLSVAN 20個 ターミナル PCB 青2Pin (Amazon 496円 Prime)
  • 泉化成 クリアケース ワイド 181㎜×100㎜×31㎜ (セリア 税別100円)
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