スピーカーモーターのエコデザインのシナリオ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19493 (2022) この記事を引用

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世界のラウドスピーカー市場は、量的にも種類においても電子エンターテイメント技術の成長傾向に追随しています。その結果、スピーカーのライフサイクル中に生じる環境への影響は、世界の環境法規制や世界市場の傾向とは逆に、同じ割合で増加します。それでも、この種の製品の環境性能は、スピーカー設計における技術アップデートの意思決定プロセスでは考慮されていません。この意味で、環境パフォーマンスはさまざまな設計段階全体で考慮されるため、エコデザインは製品の設計に適用される最も適切なライフサイクルエンジニアリングツールです。ただし、複雑な生産チェーンを必要とする製品におけるエコデザインの実現可能性は、製品をサブシステムとコンポーネントに分割するかどうかにかかっています。したがって、本研究は、磁石、コイル、およびコイルフォーマーで構成される古典的なスピーカーモーターの環境性能を評価することに焦点を当てています。 8 つの原材料代替シナリオが提案および分析され、現在の技術内で最高の環境パフォーマンスを備えた提案を特定することができました。これは、スピーカーの完全なエコデザインに向けた最初のステップを表し、他の構成部品で従うべき手順を設定します。

スピーカーの世界市場の年間平均成長率 (CAGR) は増加しており、2028 年まで 7.3% の割合で成長すると予想されています (FMI、2018)。このうち、北米と東南アジアが市場シェアの 40% を占めています。したがって、この製品の設計時に環境面を考慮しない限り、環境への影響は容赦なく増大します1、2。この傾向は、国連（UN）のアジェンダ 21 の持続可能な開発（SDG）や、世界経済の現在のモデルである循環経済の目標に矛盾します3。

ほとんどの組織の目的は顧客の暗黙のニーズを満たすことであり、メーカーとエンドユーザー間の既存の関係を維持し形成するために製品を再構築する必要があります。持続可能性とは、環境、社会、経済の問題のバランスまたは統合です。 1987 年、世界環境開発委員会 (WCED) は、将来の世代が自らのニーズを満たす能力を損なうことなく、現在のニーズを満たす開発と定義しました4。これに関連して、企業が循環経済の原則に適切に従うことを奨励する法律や規制が世界中にいくつかあります。たとえば、アメリカ合衆国には、資源保存および回収法 (RCRA)5 に関する法律および規制があります。欧州の法律には、製品の製造プロセスにおける一部の物質の使用を制限する特定有害物質の制限 (RoHs)6 と、組織に義務を課す電気電子機器廃棄物 (WEEE)7 が含まれます。電子廃棄物。一般に、この指令は電気および電子廃棄物の収集、処理、リサイクルに関する特定の基準を奨励および定義しています1,4。たとえばブラジルでは、法律第 2 号が定められています。国家固形廃棄物政策 (PNRS) を制定する 12.305/108 は、廃棄物の発生の防止と削減、持続可能な消費習慣の実践に関する提案、固形廃棄物のリサイクルと再利用を増やすための一連の手段を提供しています。

さらに、組織の活動に関連する環境側面を改善するという状況に組織が適応することを促進するために、いくつかの基準が提案されています。 ISO 14000 ファミリーの注目すべき例としては、環境マネジメントシステムのガイドラインを提供する ISO 14001、製品のライフサイクルアセスメント (LCA) の実践を考慮した ISO 14040 (2009)9 および ISO 14044 (2009)10、および ISO があります。 14006 (2020)11、エコデザインまたは環境のためのデザインの実装に取り組んでいます。これらの基準には、土壌、水、大気の汚染などの環境への影響の防止に貢献する意思決定プロセスの計画が含まれています9,10。

製品デザインに関しては、ライフサイクル全体の観点から考えると、エコデザインは循環経済を追求する生産部門の主要な技術の 1 つとして際立っています 12,13。しかし、ケーススピーカーなど、既に市場で複雑な製造チェーンが確立されている製品では、複雑なコストと時間のかかる評価が必要となるため、製品全体の設計変更を実際に適用することは困難です。したがって、製品 (システム) をサブシステムとコンポーネントに階層化することが、この種の製品にエコデザインを適用するための実行可能な根幹となる可能性があります。さらに、前述のアプローチは、環境ホットスポットを特定し、エコデザインを目的とした製品設計の変更を適用するための優先順位を分類するために、LCA を以前に適用することでさらに改善できます13。

LCAは製品エンジニアリング段階の意思決定プロセスにも適用され、環境への負担が少ない材料の使用を提案し、エネルギーと原材料の使用を合理化および最適化します。さらに、LCA の結果に基づいて、エンジニアは耐用年数が延長された製品を設計でき、コンポーネントを使用するための分解が容易になり、材料のリサイクルが可能になります14。

運用管理では、LCA は、製品の製造またはサービスの提供に関連する活動がどのように統合されるかに加えて、生産リソースの選択の定義に貢献できます。 LCAの結果に基づいて、資源の使用計画、資材ニーズ、製品開発、生産管理がより効率的に作成されます。したがって、LCA は製品設計の変更に限定されず、生産プロセスにも適用されることに注意することが重要です。プロセスが持続可能性の観点から肯定的に評価されない場合、たとえば、大量の材料やエネルギーを必要とするため、または過剰な廃棄物の発生のために、そのプロセスは研究と改善の対象となるべきである14。

環境法の遵守は単なる義務ではありません。組織の評判は、その製品、サービス、プロセスの環境面への取り組み方と強く結びついています。多くの企業がパートナーに環境基準への準拠を証明する認証を要求しているため、組織はイメージを強化するだけでなく、ビジネスチャンスを活用するためにも良い評判を得る必要があります15。製品の LCA により、代替の原材料とエネルギー源を見つけ、必要な投入量と廃棄物の発生量が少ないプロセスを開発し、副産物や最終製品の一部を再利用する可能性を特定し、製品に適切な目的地を与えることが可能になります。消費者による廃棄後の製品。

理想的には、消費者は録音者が計画したようなサウンドを聞く必要があります。この目標により、最高の音響スピーカーはオリジナルに可能な限り近いサウンドを再現します。最も重要で有益なパフォーマンス指標の 1 つは、スピーカーの周波数応答です。周波数応答は振幅と位相に分割でき、これらを合わせてシステムの線形動作を完全に記述します16、17。主な目標は、人間の可聴スペクトル全体の周波数を正確に再現できるスピーカーを入手することです。このように、動作帯域幅全体にわたって振幅と位相応答が均一であればあるほど、スピーカーの品質は向上します。周波数応答グラフでは、山と谷のある線ではなく、直線であることが望ましいです。理想的なアンプとオーディオソースからの理想的な信号を仮定すると、平坦な周波数応答の変動は、その製造プロセスや使用される材料に起因することが多く、大きく異なる場合があります。たとえば、伝播コーン (スピーカーのコンポーネント) は、紙、アルミニウム (Al)、ポリプロピレン、またはグラスファイバー/セラミックポリマーで作ることができます。

動作原理に関しては、ほとんどのスピーカーは同様に動作します。通常、スピーカーの背面には、円形の磁石が硬いフレームでしっかりと固定されています。磁石の周りにコイルが配置されています。ただし、磁石とは対照的に、コイルは可動部品に取り付けられています。スピーカーに電圧が供給されると、電場の変化により磁石内の銅 (Cu) コイルが動きます。これに通常は紙かプラスチックでできた膜が取り付けられており、膜が一緒に前後に移動して空気を置換し、音波を発生させます。電流が一方向に流れると膜は磁石から遠ざかり、逆方向に流れると膜は磁石に近づきます。電流の流れは、誘導される周波数に応じて一方の側からもう一方の側に変化します。低周波数の場合、これは 1 秒あたり数十回になることがあります。高周波の場合、これは 1 秒あたり最大 20,000 回以上発生します。スピーカーのサイズは、生成できるオーディオ周波数の範囲に影響するため、スピーカーが大きいほど、より多くの空気を移動できますが、速くはできないため、より低い周波数の生成が可能になります。小型のスピーカーは空気の移動量が少ないため、より速く移動できるため、より高い周波数を生成することができます16。

スピーカーなどの製品プロジェクトにおけるエコデザインの重要性、およびモーターなどの製品サブシステムまたはコンポーネントにおける LCA の適用の重要性は明らかです。しかし、我々の知る限り、この製品におけるエコデザインの将来の適用に向けて、スピーカーモーターのライフサイクルに対する環境への影響を評価し特定した実証結果の報告は文献に見つかりません。実際、文献調査によれば、18、19、20 に見られるように、ほとんどの研究は騒音公害が人々に及ぼす影響を経験的または理論的に評価することに限定されている。これらの研究は、製品設計を改善するための音響バイアスとともに、スピーカーの使用段階に適用されます。いくつかの例外は 21,22 で、著者らはネオジム磁石の環境への影響を評価し、未使用の磁石とリサイクル磁石の環境への影響を比較しました。著者らは、リサイクルされたネオジム磁石は未使用の磁石よりも環境に影響を与える可能性が低いと結論付けました。特に、次のカテゴリに焦点を当てています21: 地球温暖化。酸性化; ヒトの発がん性毒性。非発がん性の人体毒性。人間の健康微粒子空気; 富栄養化; オゾン層の破壊。生態毒性; そしてスモッグ。

スピーカーのエコデザインを実行するために、製品全体をより小さなサブシステムに階層化する分割統治アプローチを採用しました。特に注目したのはスピーカーのモーターです。研究対象が限定されると、LCA は提案されたさまざまなシナリオに適用され、エンジニアリングの意思決定プロセスをサポートし、リソースを最適化して、この生産部門でのエコデザインの実践を可能にすることを目的としています。

したがって、本研究では、LCAによって実証的に評価されたシナリオの環境パフォーマンスに基づいて、スピーカーモーターのエコデザイン代替案を提案します。シナリオは、現在のスピーカーモーター市場ですでに使用されているコンポーネントのさまざまな組み合わせを考慮して作成されました。

今回の研究は、スピーカー製品のエンジニアリングにおける意思決定プロセスをサポートするのに役立ち、このテーマに関する科学文献のギャップをカバーするでしょう。この導入に続いて、記事は次のように構成されています。「方法」セクションでは、使用された研究方法が説明されています。生成されたシナリオを含む、得られた結果は、「結果と考察」セクションで提示および議論されます。最後に、「結論」セクションで結論が導き出されます。

ラウドスピーカーは、50 年以上にわたって永久磁石を使用して設計および製造されてきました23。最初の進化は、モーターの磁石がアルニコ (アルミニウム/ニッケル/コバルト) に置き換えられたときに起こりました。したがって、これらのスピーカーは依然として非常に長く、複雑で、重量のあるデバイスでした。最初のターニングポイントは、身長とサイズが小さくなったことでした。そのため、ハードフェライト磁石を使用しています24。フェライト磁石を使用した設計は、磁束漏れが多いため非効率的です。一方、フェライト磁石は市場での価格が高いため、経済的な利点があります。しかし、このようなモーター内の鉄は、いくつかの種類の非線形性を引き起こします。これらには、例えば、鉄の磁気飽和や、その位置に応じたコイルのインダクタンスの変化が含まれ、抵抗効果を引き起こします25。ネオジム永久磁石の登場は、永久磁石材料の進歩につながる最後のステップです。このような Nd 化合物を含む永久磁石により、ホールモーターのサイズと重量は劇的に減少しました26。このように、永久磁石を小型軽量化することでスピーカーモーター全体（コイルとコイルフォーマー）を新たに設計する必要があり、新素材や生体材料の採用が可能となります。モーター性能の変化はコンポーネントの機械的公差によるものでもあり、生産時の再現性や高い製品性能を保証するにはその影響をチェックすることが重要です27。製品の複雑な生産チェーンは世界各地の複数の生産ユニットで構成されているため、この研究の対象は、図 1 で強調表示されているスピーカーモーターに限定されました。これは、製品の最も重要で異なる部分の 1 つです。拡声器。

各コンポーネントを強調表示し、そのモーターセットを拡大した従来のスピーカーの構造図。

市場で広く使用されている、同様の機能と特性を備えたスピーカーモーターモデルが多数あります。モーターは、磁石、コイルフォーマー、コイルの 3 つの主要な構成部品に大別でき、それぞれ異なる材料を使用して構築できます。表 1 は、ベースラインシナリオに可能な構成をリストしており、ここからは「実際の製品」と名付けられ、さらに 7 つのシナリオがエコデザインの提案として示されています。メーカーの情報の信頼性を高めるため、この記事では本物の製品であるとみなして、スピーカーのモデルの名前と説明は機密に保たれています。 Real 製品構成は、市場でスピーカーモーターに最もよく使用されている構造であるため、ベースラインシナリオとして採用されました。

したがって、LCA は、図 2 に示すように、モーターモデルのコンポーネントの可能な組み合わせごとに適用され、クレードルからゲートまでの製品システムが適用されました。

従来のスピーカーの製造における材料、コンポーネント、プロセスの流れの入力と出力を示す矢印が付いた 3 つの列/ステップからなるグレースケール図。

図 2 には、表 1 に記載されているコンポーネントとは異なるコンポーネントがあります。これは、製品システムでは、エコデザインシナリオを生成するための組み合わせとして、他の可能なコンポーネントも考慮されているためです。

材料の取得には、スピーカーの主原材料の輸送と移動が含まれます。たとえばアルミニウムや銅などの材料のほとんどは地域企業から供給されています。しかし、Nd の場合、その抽出の大部分は中国に集中しており 4,28、海上輸送でブラジルに輸送されます。物質輸送は製品ライフサイクル全体の排出量のより小さな部分を引き起こすため、分析では考慮する必要があります。 LCA の目的は、ラウドスピーカー設計における 8 つの考えられるシナリオの環境への影響を評価することです。この記事では表 1 に示す実際の製品 (ベースラインシナリオ) と題する、市場で広く使用されているプロジェクトを比較参照として使用します。検討したシナリオ (エコデザインプロジェクト) にはおおよその機能があり、それらの間の機能単位を標準化するのと同等であると考えることができます。 LCAを実行するために、960.927gの1つのスピーカーモーター（実際の製品）の機能単位が採用されました。そして、この製品の基準ストリームは、最終製品とみなされる 3 つのコンポーネントに分散された 960.927g の生産量です。

LCA の各段階は、ソフトウェア GaBi Student を使用して、ISO 14040 (2009)9 および ISO 14044 (2009)10 に従って実施されました。第 2 段階として、ラウドスピーカーのデータシートからライフサイクルインベントリ (LCI) が収集されました。これは二次的なデータ収集方法です29。このシーケンスの次の LCA フェーズは、ライフサイクル影響評価 (LCIA) です。モデリングの結果、4 つの方法論からデータが得られました。それでも、分析は TRACI 2.1 に焦点を当てます。これは、TRACI 2.1 には主に北米の工業地域に焦点を当てた指標があり、したがってブラジルなどの対象地域により適しているためです。ヨーロッパ。 TRACI 2.1 方法論の原材料抽出とスピーカー製造のシナリオに最も関連するカテゴリを以下に例示します30。したがって、同じ意味で、北米の状況を考慮して、TRACI 2.1 方法論に従って内部および外部の正規化が達成されました。内部正規化は同じシナリオ内で実行され、各環境影響カテゴリの合計影響が評価され、すべてのカテゴリに対する各スピーカーモーターコンポーネントの相対的な可能性が計算されました。外部正規化は次のように実行されました。

どこ：

NFi は、影響カテゴリー i の正規化係数 (impact capita\(^{-1}\) year\(^{-1}\)) です。

CFi,s は、影響カテゴリー i の特定の物質 s から放出される特性評価係数 (衝撃 kg\(^{-1}\)) です。

Es は、特定の地理的参照領域における物質の排出量 (kg 年\(^{-1}\)) です。この研究では、米国および米国-カリフォルニア州の人口を採用しました。そして

P は参照地域の人口 (capita) です。

正規化方法の詳細については、31、32 を参照してください。

このセクションでは、まず、表 2 にリストされている潜在的な環境への影響について簡単に説明します。LCI の結果は補足資料に示されています。その後、内部正規化が実行され、環境影響の各カテゴリに対するスピーカーモーターの各コンポーネントの相対的な可能性が示されました。次に、感度分析が実行され、スピーカー市場の最も代表的な国をカバーする北米におけるカテゴリー別の総合的な影響を考慮し、外部標準化とともにスピーカーモーターのエコデザインのオプションを表すシナリオが生成されました。 LCIA TRACI 2.1 メソッドの一部の国になること。

結果を表 2 に示すには、まず特定された環境影響カテゴリーの原因と影響を説明する必要があります。まず、一般的な文脈で要約します。次に、これらの環境への影響の原因を、スピーカーモーターに関連して分析します。

33 によれば、地球温暖化は主に化石燃料の燃焼によって引き起こされ、燃焼によって生じた物質は赤外線によって吸収され、大気中で安定化します (IPCC、2007)。この影響カテゴリーは、地球上の温暖化の加速と急激な温度変化の原因となります。

酸性化は一般に、電気的であれ熱的であれ、主にエネルギー生成プロセスにおける活動と燃焼に起因して、空気、水、土壌に到達する気体、固体、または液体の汚染物質の放出によって引き起こされます。この場合、汚染物質は水素イオンを環境に導入または放出し、（水素イオンに伴う）陰イオンがシステムから浸出または洗い流されます33。

富栄養化は、培地中の過剰な量の栄養素の原因となります。主な栄養素は窒素、リン、カリウムです。 33 によれば、富栄養化は、特に大気中（例えば、燃焼プロセスからの窒素酸化物）、水中（例えば、農業における肥料の使用に起因する水生環境中の窒素）、および土壌中および土壌上への排出（例えば、、農業資源から土壌に浸出するリンの排出）。

オゾン層破壊は、特に塩素や臭素を含む冷媒物質、溶剤、発泡剤など、通常の大気温度におけるハロカーボンやガスの人為的排出によって引き起こされます。特に、冷媒物質は効率向上、つまり液体から気体への可逆的な相転移を目的として熱サイクルで依然として一般的に使用されているため、特に有害です33。

33 によれば、生態毒性は、生物圏への有毒物質の放出によって引き起こされ、動植物の種に影響を及ぼし、その種に毒性を引き起こし、生物蓄積性となる可能性があります。生態毒性は、比較毒性単位生態毒性 (CTUe) で定量化されます。

人間の健康微粒子空気には、健康上の問題を引き起こす微粒子が含まれています。微粒子の直径は 10 マイクロメートル未満で、肺の奥深くまで到達する可能性があり、一部は血流に入る可能性もあります。したがって、これらの粒子は人間の肺や心臓に影響を与える可能性があります。粒子汚染への曝露による影響を最も受けやすいのは、心臓や肺の病気を持つ人々、子供、高齢者です33。

ヒトに対する比較毒性単位 (CTUh) で測定されます。人間の毒性は、発がん性があるかどうかに応じて、主に 2 つのカテゴリーに分類できます。前者の人体毒性は、人が摂取または吸入する化学放出物質によって誘発され、それらの物質は癌を引き起こす可能性があります。がん以外の人体毒性も、人間の活動によって環境に放出される化学物質の摂取または吸入によって引き起こされますが、これらはがん以外の他の害を人体に引き起こします29。

最後に、29 によれば、対流圏オゾン形成があり、スモッグ形成またはこの論文で使用される単にスモッグとも呼ばれます。地上では、オゾンの場合、太陽光の存在下で窒素酸化物 (NOx) と揮発性有機化合物 (VOC) の間で同じ化学反応が発生します。これらのガスは主に電力会社、産業施設、燃焼モーターによって発生します。スモッグは、気管支炎、喘息、肺気腫などのさまざまな呼吸器疾患を引き起こします。生態系への影響には、同じ生態系の枯渇が含まれます5。

スピーカーモーターの生産チェーンは、磁石の製造、コイルの製造、コイルフォーマーの製造で構成されます。これらのプロセスの主な環境的側面とその主な環境への影響を以下に示し、説明します。

地球温暖化カテゴリーに寄与する最大の排出量は CO2 換算です。磁石の製造に用いられるフェライト系原料の製造工程によって得られる。さらに、人体への毒性（発がん性物質）に影響を与える最大の排出物は大気中のヒ素（As）であり、焼却と固形廃棄物の処理からも最大の影響が生じています。非癌性物質の場合、人体毒性の原因物質である鉛汚染水が排出への影響が最も大きかった。呼吸器への影響に関しては、フェライト磁石を製造するための選鉱プロセスが最大の原因でした。富栄養化のカテゴリーでは、最も大きな影響を及ぼした排出は、水中に分布するリン酸塩と、空気中に存在する O3 または CH4 の減少から生じました。文献によれば、工業炉での化石燃料の燃焼が、大気汚染 (スモッグ) カテゴリーの光化学生成の最大の原因であったことがわかります 21,22。

フェライトスピーカーの磁気アセンブリがネオジムと同じ効率を発揮するには、（同じ磁束を持つために）フェライトの質量の約 4 倍が必要です22。この分析では、すべてのカテゴリがフェライトより平均 25% 小さいため、ネオジムは最もマイナスに寄与しない材料でした。注目に値するのは、Nd (高性能スピーカーに使用される磁石) の抽出と一次生産が 1994 年以降中国に集中しており、1990 年以降、バージン材料とリサイクル材料の両方でその用途の需要が増加していることです。世界市場におけるネオジム磁石の使用は 6.2% を占めていますが、最大の使用は電動モーターで 34% です22。

フェライトに次いで、スピーカーモーターの環境影響カテゴリのほとんどでアルミニウムが優勢です。表 2 に示したデータは、目的の鉱物の抽出、分離、濃縮を考慮した、鉱石処理による環境への影響の違いを明確に反映しています。地球温暖化分野では、主に化石燃料の燃焼によりCO2が排出されます。アルミニウムの場合、ボーキサイト抽出段階でトラクターや掘削機による粉砕後、分離機械によるさまざまな工業プロセスが必要となり、洗浄（大量の水）、洗浄されたボーキサイトから分離された尾鉱を粉砕して処分します。補足資料のアルミニウムのインベントリ、大気および水への有機物の排出量を分析すると、銅の 2 倍の値を示していることがわかります。銅に関しては、唯一の異常値でアルミニウムよりも高いのは生態毒性カテゴリーにありましたが、これは大気中への大量の粒子および重金属の排出によって説明できます。この違いは、アルミニウムの製造に関与するさまざまな化学プロセスに起因すると考えられます。したがって、スピーカーでは銅を選択すると、環境の観点から性能が向上します。しかしながら、材料密度との関係では、コイルの望ましい特性は、セットの変位、ひいては音響品質に影響を及ぼさないように軽いことであるため、アルミニウムが好ましい。

30 では、LCA をコイルフォーマーの製造に適用した結果が 34 で説明され、アルミニウムと銅のコイルフォームのライフサイクルへの影響を比較しています。コイル形状の場合、ボーキサイト抽出プロセスはアルミニウムコイルの製造で説明したのと同じ手順を経ますが、コイル用のビレットではなくアルミニウムシートを成形する最終ステップが異なります。グラスファイバーの耐衝撃性グレードはアルミニウムより優れていました。製造プロセスはアルミニウムよりも単純で、組成に使用する鉱物の量が少なく、必要な機械も少なくなります。鉱物の場合、補足資料の目録で、コールマナイト (Ca2B6O11.5H2O) とドロマイト (CaMg(CO3)2) の存在が無視できるものではないことがわかります。両方の材料の O3 層減少値はマイナスでした。この値は、分析された代替案が影響カテゴリーに関してプラスの結果をもたらしたことを示しています。この不一致の根本原因を見つけることは研究の範囲の一部ではありませんが、将来のために示すことができます。徹底的な研究。グラスファイバーはアルミニウムよりも剛性と動作温度（変形前）が優れているため、スピーカーでのグラスファイバーの使用は環境と性能の両方の点で興味深いものになります。図 3 は、シナリオ 1 のスピーカーモーターの各コンポーネントの環境への影響の相対的な寄与を、評価された各環境への影響カテゴリの関数として示しています。シナリオ 1 はスピーカー業界で最も一般的なシナリオであるため、表 1 と表 3 に示す他のシナリオを比較するための基本シナリオとみなされることに言及することが重要です。

2 つの軸と 3 つの材料からなる棒グラフは、衝撃カテゴリーごとの相対的な寄与をパーセンテージで表し、パーセンテージが最も高い HTC アルミニウムコイルカテゴリを強調しています。

磁性部品の材料としてフェライトを考慮すると、この部品は環境への影響のすべてのカテゴリで優勢であり、ラウドスピーカーモーターの他の部品や材料からの潜在的な環境への影響の寄与を特定することはできません。したがって、この製品の環境性能を最大限に高めるためには、あらゆるシナリオでフェライトをネオジムに置き換えることが前提となります。したがって、フェライトを含むシナリオ 3、5、7 は除外されました。フェライトも含まれるシナリオ 1 のみが維持され、それがベースラインシナリオとして採用された理由です。

Real 製品のモーターモデルに基づいて、それぞれのコンポーネントが結合され、表 3 に示す 8 つの可能なスピーカーモーター設計シナリオが生成されました。

スピーカーのモーターのさまざまなコンポーネントの組み合わせは、LCA のオプション段階として、またエコデザインの意思決定プロセスの可能性の提案として予見された感度分析として実行されました。

2 つの軸と 5 つのシナリオを備えた折れ線グラフは、影響カテゴリー別の相対寄与率をパーセントで表しており、HTC シナリオ 2 と 4 が、しきい値レベル 100% を 28.29% 上回るパーセンテージで強調表示されています。

図 4 の分析では、予測されるエコデザインシナリオにおける環境影響のカテゴリ間で均一な変動と標準的な動作が観察されます。つまり、すべての予測シナリオは、基本シナリオ (実際の製品) よりも優れた環境パフォーマンスを持っています。ただし、人体毒性がんカテゴリでは、すべての予測シナリオが基本シナリオよりも環境パフォーマンスが低くなります。これは、人間の健康に特別な注意を払っており、ネオジムのライフサイクルによって引き起こされることで悪名高い、デリケートな環境影響カテゴリーであり、21によって報告された研究を裏付けています。計画されているエコデザインシナリオの中で、絶対的に環境パフォーマンスが最も高いのは、アルミニウムコイル、グラスファイバーコイルフォーマー、およびネオジム磁石で構成されるシナリオ 4 です。

一方、環境パフォーマンス全体を把握するために、ベースシナリオを含む各評価シナリオにおいて、北米で評価された各環境影響カテゴリーの合計に関して外部正規化が採用されています32。。したがって、各シナリオが環境に与える潜在的な影響の合計を推定し、それらを相互に比較することが可能です。図 5 はこれらの結果を示しています。

2 つの軸と 5 つのシナリオを備えた折れ線グラフは、すべてのカテゴリーによる影響のカテゴリー別の正規化された指標を表しており、他のシナリオと比較してシナリオ 1 の合計より 51% 大きくなっています。

外部標準化の結果から、エコデザインプロジェクトのシナリオ 2、4、6、8 は同等の環境パフォーマンスを備えていることがわかります。さらに、これらすべてが人体毒性以外のがんカテゴリーに対してより高い潜在的な影響を持っているにもかかわらず、合計すると、予測されるエコデザインシナリオは、世界のスピーカー市場で広く使用されている基本シナリオよりも環境に影響を与える可能性が相対的に 51% 低いです。世界市場の製品全体を考慮すると、予測されるすべてのシナリオにおける環境パフォーマンスの向上は、循環型経済に対抗する世界のスピーカー業界における大きな前進となる可能性があります。これはパーセンテージ単位での相対分析であるため、人毒性非がんカテゴリの相対的な寄与度は他のカテゴリよりもはるかに高く、環境影響の他のカテゴリに対する他の構成要素やシナリオの寄与度を視覚化することが困難になっています。ただし、図 6 に示すように、分析された影響のカテゴリに応じて、他のシナリオとの間にはパーセンテージで大きな差があります。

コイルフォーマーとコイルのカテゴリー指標による相対寄与度の比較。コイルの Ec および HTnC カテゴリが強調表示されており、その衝撃パーセンテージは他のカテゴリよりも約 10 倍大きくなります。

アルミニウムをグラスファイバーに置き換え、コイルフォーマーにネオジムを保持するエコデザインシナリオは、優れた環境性能を備えていることがわかります。これらはシナリオ 4 と 8 のケースです。一方、同じグラフでは、3 つの衝撃カテゴリにおいて銅がアルミニウムよりもはるかに高い衝撃潜在性を示していることがわかります。対照的に、他のカテゴリは、図 6 の赤と点線で示された境界線に近いです。したがって、環境パフォーマンスの観点から、スピーカーモーターのエコデザイン 4 シナリオが最良のシナリオであると結論付けることができます。評価された 8 つのうちの 1 つです。

研究目標は、提案された範囲内で正常に完了しました。 Ecodesign の提案を特徴づける 8 つのコンポーネント交換シナリオの中で、最もよく分析されたパフォーマンスを備えたスピーカーモーターのプロジェクト仕様が得られました。特定された提案はシナリオ 4 で、アルミニウムコイル、グラスファイバーコイルフォーマー、およびネオジム磁石を備えたモーターで構成されます。さらに、市場で最も使用されているモーターオプションに基づいて、スピーカーモーターの中間的なエコデザインシナリオを特定することができました。

この記事の結果は、科学文献の理論上のギャップを埋め、スピーカー開発プロジェクトの意思決定プロセスに対する補助金によって工学の実践に貢献します。

この研究には 2 つの重要な制限があります。 1 つ目は、LCI のデータ収集に基づいています。これは、スピーカーメーカーからのデータシートに基づいて実行され、二次情報源からデータを収集するアプローチですが、信頼性は高くなります。 2 番目の制限は LCA の範囲内にあり、この製品とその生産チェーンが複雑であるため、スピーカーのコンポーネントであるモーターの 1 つだけに制限されていました。

しかし、これらの限界は、メーカーの支援を得て、現場や現場、そしてスピーカー全体の一次情報源からのデータ収集を採用することで、将来の研究で克服できる可能性があります。さらに、製品の技術的および経済的パフォーマンスを環境パフォーマンスと統合して分析するための提案もあります。したがって、その結果はメーカーや消費者によってよりよく吸収される傾向があり、そのためスピーカーのエコデザインプロジェクトを大規模に実施することができます。

この記事の結論を裏付けるために使用されるすべてのデータベースとソフトウェアは、Web サイト (http://www.gabi-software.com/international/databases/) で入手できます。

Bressanelli, G.、Saccani, N.、Pigosso, DCA & Perona, M. 小規模産業における循環経済: 系統的な文献レビューと研究課題。持続する。製品。消費する。 23、174–188。 https://doi.org/10.1016/j.spc.2020.05.007 (2020)。

記事 Google Scholar

Pérez-Martínez, MM、Carrillo, C.、Rodeiro-Iglesias, J. & Soto, B. 元の機器と比較した、再利用された廃電気および電子機器のライフサイクル評価。持続する。製品。消費する。 27、1637 ～ 1649 年。 https://doi.org/10.1016/j.spc.2021.03.017 (2021)。

記事 Google Scholar

Mhatre, P.、Panchal, R.、Singh, SA Bibyan: 欧州連合における循環経済への取り組みに関する体系的な文献レビュー。持続する。製品。消費。 26、187–202。 https://doi.org/10.1016/j.spc.2020.09.008 (2021)。

記事 Google Scholar

Micah, B. ネオジムと世界のヘッドフォン市場。技術報告書、立命館アジア太平洋大学、日本 (2015)。

EPA: 資源保存および回復法 (RCRA)。 https://www.epa.gov/rcra/resource-conservation-and-recovery-act-rcra-overview

EU: 電子機器における特定の有害物質の使用制限に関する、2011 年 6 月 8 日の欧州議会および理事会の指令 2011/65 /EU。欧州連合 (2011)。

電子廃棄物 (WEEE) に関する 2012 年 6 月 4 日の欧州議会および理事会の EU 指令 2012/19 /EU、(2012)。電子廃棄物 (WEEE) に関する 2012 年 6 月 4 日の欧州議会および理事会の指令 2012/19 /EU。

ブラジル: 国家固形廃棄物政策 (PNRS) 法第 12 号、305 (2010 年) 2010 年 8 月 2 日。ブラジル (2010 年)。

ISO: ISO 14040: 環境管理 - ライフサイクルアセスメント - 原則とフレームワーク。国際標準化機構 (2009)。

ISO: ISO 14044: 環境管理 - ライフサイクルアセスメント - 要件とガイドライン。国際標準化機構 (2009)。

ISO: ISO 14006: 環境マネジメントシステム - エコデザインを組み込むためのガイドライン。国際標準化機構 (2020)。

Polverini, D. エコデザイン指令内での循環経済の規制: これまでの進捗状況、方法論的な課題と展望。持続する。製品。消費する。 27、1113–1123。 https://doi.org/10.1016/j.spc.2021.02.023 (2021)。

記事 Google Scholar

Pollini, B. & Rognoli, V. ライフサイクルアプローチに基づく初期段階の材料選択: 設計のためのツール、障害、および機会。持続する。製品。消費する。 28、1130–1139。 https://doi.org/10.1016/j.spc.2021.07.014 (2021)。

記事 Google Scholar

JA オリベイラ、DA ロペスシルバ、FN プリエリ & YMB サーベドラ YMB ライフサイクルエンジニアリングと製品管理: 理論と実践 Vol. 2 1、408 (Springer、2021)。 https://doi.org/10.1007/978-3-030-78044-9。

Adibi, N.、Lafhaj, Z.、Payet, J. 希土類元素の新しい資源評価特性評価要素: ndfeb 永久磁石ケーススタディに適用。内部。 J. ライフサイクルアセスメント。 24、712–724。 https://doi.org/10.1007/s11367-018-1489-x (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Borwick、J. ラウドスピーカーおよびヘッドフォンハンドブック (Taylor & Francis、2001)。

Eargle, J. 『ラウドスピーカーハンドブック』 (Kluwer Academic Press、2003)。

Schiller, N. & Zawodny, N. 小型無人航空機システム用のアクティブ騒音制御システムに向けた初期開発 (2018 年)。

Zenker, B.、Merchel, S. & Altinsoy, ME: フラットパネルスピーカーの再考 - さまざまなスピーカーカテゴリの客観的な音響比較 (2019)。

倉友直也、宮川洋、益子伸治、山中哲也、善保和也、オンデマンド・ピンポイントオーディオシステムによるデジタルサイネージにおける音響の快適性と広告想起性の効果。応用 Acoust.https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2021.108359 (2021)。

記事 Google Scholar

Jin, H.、Afiuny, P.、McIntyre, T.、Yih, Y. & Sutherland, JW ndfeb 磁石のライフサイクル評価の比較: バージン生産と磁石から磁石へのリサイクル。プロセディア CIRP 48、45–50。 https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.03.013 (2016)。

記事 Google Scholar

Yang, Y.、Walton, A. & Sheridan, R. Ree による寿命終了の NDFEB 永久磁石スクラップからの回収: 批判的なレビュー。プロセディア CIRP 3、122–149。 https://doi.org/10.1007/s40831-016-0090-4 (2017)。

記事 Google Scholar

Coey、JMD 希土類磁石。エンデバー 19(4)、146–151。 https://doi.org/10.1016/0160-9327(96)82876-6 (1995)。

記事 CAS Google Scholar

Coey、JMD 永久磁石の応用。Ｊ．Ｍａｇｎ．マグニチュードメーター。 248(3)、441–456。 https://doi.org/10.1016/S0304-8853(02)00335-9 (2002)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Merit, B.、Remy, M.、Lemarquand, G. & Lemarquand, V. ダイレクトラジエーター動電型スピーカーの構造を強化。内部。Ｊ．Ａｐｐｌ．電磁石。 Mech.https://doi.org/10.3233/JAE-2010-1086 (2010)。

記事 Google Scholar

Remy, M. 自動車オーディオ、音響に適応した革新的なアイアンレスラウドスピーカーモーター [physics.class-ph]。メイン大学 (2011)。 https://doi.org/NNT:2011LEMA1026

Marco, C. ラウドスピーカーモーター - 設計と非理想性分析、ミラノ工科大学 (2021)。

Wesley, C. ネオジムの在庫とフローのマッピング。技術レポート、オランダ、ライデン大学 (2016)。

Guinée, JB、Gorrée, M. & Heijungs, R. ライフサイクルアセスメントに関するハンドブック (ISO 規格の運用ガイド、2002 年)。

JC ベア、ジョージア州ノリス、DW ペニントン Traci: 化学物質やその他の環境への影響を削減および評価するためのツール。Ｊ．Ｉｎｄ．Ｅｃｏｌ． 6、49–78 (2003)。

記事 Google Scholar

ローティエ、A.ら。カナダと米国の正規化要因の開発とヨーロッパ要因との比較。科学。トータル環境。 409、33–42。 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2010.09.016 (2010)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Ryberg, M.、Vieira, DM、Zgola, M.、Bare, J. & Rosenbaum, RK カナダと米国の正規化係数の開発とヨーロッパの係数との比較。クリーンテクノロジー。環境。ポリシー 16、329 ～ 339。 https://doi.org/10.1007/s10098-013-0629-z (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Wenzel, H.、Hauschild, MZ、Alting, A.: 製品の環境評価。製品開発における方法論、ツール、ケーススタディ。ドルドレヒト (1997)。

Althaus、HJ、Chudacoff.: 化学物質のライフサイクルインベントリ: データ v2.0。技術レポート、デューベンドルフ: スイスライフサイクルインベントリセンター、スイス (2007)。

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著者らは、サンパウロ研究財団 (FAPESP)、助成金番号 2020/11874-5 および国家科学技術開発評議会 (CNPq)、助成金番号 405749/2022-8 に感謝します。

これらの著者は同様に貢献しました: Ivan Aritz Aldaya Garde、Mirian Paula dos Santos、Rafael Abrantes Penchel、Lúcio Cardozo Filho、José Augusto de Oliveira。

先進的かつ持続可能な技術センター - CAST、サンパウロ州立大学 (UNESP)、Av. Profa. Isette Corrêa Fontão、505、サンジョアンダボアビスタ、サンパウロ、13876-750、ブラジル

アラン・ディ・クント・ダビラ・デ・アルメイダ、イヴァン・アリッツ・アルダヤ・ガルデ、ミリアン・パウラ・ドス・サントス、ラファエル・アブランテス・ペンシェル、ルシオ・カルドソ・フィーリョ、ホセ・アウグスト・デ・オリベイラ

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すべての著者が査読および寄稿しており、各著者はこの原稿の特定の専門分野の専門家です。

アラン・ディ・クント・ダビラ・デ・アルメイダへの通信。

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転載と許可

デ・アルメイダ、ADCD、ガルデ、IAA、ドス・サントス、MP 他。スピーカーのモーターのエコデザインのシナリオ。 Sci Rep 12、19493 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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受信日: 2022 年 6 月 26 日

受理日: 2022 年 11 月 9 日

公開日: 2022 年 11 月 14 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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