スピーカー
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スピーカー（Speaker）は電気信号を物理振動に変えて、音楽や音声などの音を生み出す機械である。ラウドスピーカー（Loudspeaker）とも呼ばれる。
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[編集] 概説
電気によって音を出す機器にチャイムやブザーやベルなどがあるが、これらは電気を大きな音に変えることだけを目的とするため、共鳴を利用して固有の音を発生させている。それに対してスピーカーは、音の波をマイクロホンなどで電気信号の波に変換したものから、再び元の音の波に戻すことを目的としている。したがって、電気信号の波を忠実に音の波へ変換することが目標となるため、共鳴などによる固有の音はできるだけ排除されるように作られている。
スピーカーは、肉声をその場で拡大して遠くまで伝えるためのメガホンや、受信された音声電気信号を音に変える携帯電話やラジオ、そして、音楽などを良い音で再生するための高級オーディオなど、様々な機器に組み込まれ、それぞれの目的に適応した多くの型がある。
[編集] ダイナミック型スピーカーの基本構造
ラジオやステレオなどの一般的な機器のほとんどに、この方式は採用されている。1924年にチェスターW.ライスとエドワードW.ケロッグによって発明されてから現在までその基本構造が変わっていないのは、この方式が極めて優れていることに他ならない。
ダイナミックスピーカーの磁気回路には、スピーカーの軸方向に円筒形の磁気ギャップ（磁場で満たされたすき間）が空いている。そこに細い電線を円筒状に巻いたボイスコイルが挿入されており、音声電流が流れるとフレミング左手の法則により力が発生し前後に振動する。ボイスコイルに取り付けられた振動板が前後に振動すると、音声信号の音が空気中に放射される。磁気回路はフレームと呼ばれる部品に取り付けられており、ボイスコイルはダンパーを介してフレームに接合され、振動板は「エッジ」と呼ばれる柔らかな構造でフレームに接合されている。ダンパーとエッジは振動板の前後の動きを妨げないような構造になっており、ダンパーは振動板の余計な動きを抑える役割もしている。なお、ダンパーやエッジが省略されたものもある。
ダイナミックスピーカーはリニアモーターの一種である。
[編集] 振動板の構造
振動板の形状には、最もポピュラーなコーン型、半球状のドーム型、平面型などがある。正面から見て円形のものがほとんどだが、楕円形や、四角形のものもある。なお、振動板から出る音をラッパ型のホーンで音響インピーダンスを整合させたものは能率がよいため、コンサート用の大音響スピーカーや、高級オーディオになどに利用されている。
ダブルコーンスピーカーは、大きなコーン紙の中央に小さいコーン紙を取り付けたもので、大きなコーン紙が中低音域を受け持ち、小さいコーン紙が高音帯域を受け持つことで、広い帯域の再生を可能にしている。
[編集] 振動板の材質
振動板の材質には、効率を上げる目的で、軽量で機械的な強度が大きい（＝高ヤング率）のものが求められる。また、共鳴による固有振動を防ぐ目的で、内部損失が大きいものが求められる。最も多く利用されているのは紙で、適度な内部損失があり、丈夫で軽量なため、廉価のものから超高級スピーカーまで幅広く使われている。この他に、パルプに種々の材料を混漉した紙、ポリエステル，絹，アラミド，炭素繊維などの繊維を編んだもの、特殊加工した木板、発泡スチロール，ポリプロピレンなどの高分子素材、アルミニウム，チタン，ボロン（ホウ素），ベリリウム，マグネシウムなどの金属、気相合成ダイヤモンドなど、実に様々なものが使用されている。一般に金属系の振動板は、ヤング率は高いものの内部損失が小さいので、共鳴を防ぐために主に高音域のスピーカーに利用されている。
[編集] 誤解
一般的なコーンスピーカはグラム単位の質量を有するコーン紙を動かすために、％オーダーの極めて大きな歪を発生するなどといわれるが、これは誤解である。ほとんどの歪みの原因は非線形部品によるものであり、主なものをあげれば、ダンパーやエッジは非線形なバネであり、設計が悪い磁気回路も非線形歪みを発生させる。なお、これらの非線形効果が顕著になるのは振幅が大きい低音域のときであり、すなわちコーンスピーカーの歪みは低音域で、かつ低音になるほど大きくなる。質量自体は非線形の要素がないので歪みとは直接関係しないが、能率を低下させる原因にはなる。
[編集] 高音質への工夫
[編集] エンクロージャー
スピーカーの振動板が振動するとき、その前面と裏面から出た音は逆位相になっている。このため、もし振動板の裏面から出た音が前面に回り込むと、音を打ち消し合ってしまう。音が回り込む回折効果は低音になるほど大きいので、低音を再生するためには振動板の裏面からでる音を遮断する必要がある。このためにはエンクロージャーと呼ばれる中空の丈夫な箱にスピーカーを取り付けるのが最もポピュラーな方法である。なお平面バッフル式という、平板に孔を開けてそこにスピーカーを取り付けたものもあるが、十分な低音を再生させようとすると巨大になる欠点がある。
[編集] スピーカーユニット
理想的には、ひとつのスピーカーで人間の可聴域（およそ20～20kHz）全体をあますことなく再生できることであるが、一般にそれは難しい。しかし、特定の周波数帯域だけなら良い特性のスピーカーが設計し易いため、帯域に応じて
と呼ばれるスピーカーが作られている。これらは単体のときスピーカーユニットと呼ばれ、普通は単体で使われることはない。一般に低音域になるほど振動板の面積は大きくなり、コーン型が多くなる。また、高音域になるほどドーム型やホーン型、および、金属素材の振動板が多くなり、リボン型スピーカーなども使われる。
[編集] スピーカーシステム
スピーカーユニットをエンクロージャーに組み込んだものはスピーカーシステム（または単にスピーカー）と呼ばれ、これで初めて音楽などをそれらしく聴けるようになる。
帯域を2つに分割したものは２ウェイ（ツーウェイ）と呼ばれ、中低域をウーファーが、高域をツイーターが受け持つ。帯域を3つに分割したものは３ウェイ（スリーウェイ）と呼ばれ、低域をウーファーが、中域をスコーカーが、高域をツイーターが受け持つ。こうした分割は理屈ではいくらでも可能であり、4ウェイ、5ウェイ、または、それ以上のスピーカーも存在する。このとき、入力信号を各帯域のスピーカーユニット合わせて分割する機能が必要になる。これはコンデンサー、コイル、抵抗などを組み合わせた回路で構成され、デバイディング・ネットワーク（または単にネットワーク）と呼ばれている。ただし、エンクロージャーやデバイディング・ネットワークの設計が正しく行われていないと、スピーカーユニット間の音質の不一致や、音の定位がぼけるなど問題などが生じることがあり、メーカーでは測定と試聴をくり返すなどして、これらの問題をクリアしていることが多い。
フルレンジのユニットのみを組み込んだものはフルレンジスピーカーと呼ばれ、デバイディング・ネットワークを必要としないので構造が単純になる。フルレンジスピーカーは、ボーカルなどの中音域の再生特性が素直であることから、廉価な製品だけでなく中級クラスのスピーカーシステムにも用いられることがある。
２ウェイ以上のタイプのスピーカーでは、周波数帯域ごとに発音体の位置が上下にずれるため、音像定位が乱れやすいという意見があり、このため同軸型（コアキシャル）と呼ばれる、再生周波数域の異なる2つのスピーカーを同一軸線上に並べたものや、仮想同軸型と呼ばれる上下対称にウーファー等を配置したスピーカーが開発されている。
[編集] 技術
[編集] 指向性
音波を含めて波の物理的な性質として、波源である振動板の大きさと発生する波の波長との比で指向性が決まる。波長の数十倍程度の長さを持つ大きな振動板であれば低い周波数でも指向性が鋭くなるが、仮に少し高めの周波数である1,000ヘルツの音に指向性を持たせる場合でも、波長は34cmであるため、差し渡し数m以上の直径の振動板が必要となり、これだけの大きさを1,000ヘルツで歪み無く駆動することも含めれば非現実なものとなる。
音のエネルギーを特定の方向に絞るために、円錐形のホーンと呼ばれる先が広がった管を使ったホーン・スピーカーが学校教育現場の手持ち式のトランペット・マイクや交通機関の案内放送、街頭宣伝車に 使われている。
周波数が高ければ指向性が増すため、超音波を小さな振動部から指向性の強いビーム状で送り出し、音の歪みを利用して可聴音として人間が聞き取れるようにしたパラメトリック・スピーカーというものもある。[1]
[編集] 分類
[編集] 変換方式による分類
- ダイナミック型
- マグネティック型
- コンデンサ型（静電型）
- 圧電型
- リボン型
- 放電型
- イオン型
[編集] 振動板の形状による分類
- コーン型
- ドーム型
- 平面型
- ベンディングウェーブ型
- ウォルシュユニット
- マンガーユニット
- ハイルドライバー
- リニアムドライバー
[編集] 振動の放射方式による分類
- 密閉型
- 平面バッフル／後面開口型（ダイポール型）
- バスレフ型
- ダブルバスレフ型
- ダンプドバスレフ型
- ASW型（ケルトン方式／チューニングダクト方式）
- トランスミッションライン
- アイソバリック型
- ホーン型
- 共鳴管方式
- TQWT
- IR方式
- ドローンコーン型
[編集] 再生帯域による分類
- 1ウェイ（フルレンジ） - 低音から高音まで単一のスピーカーユニットで再生するもの。
- マルチウェイ - 帯域分割し、それぞれ別のスピーカーユニットで再生するもの。
- 2ウェイ - ウーファー + ツイーター
- 3ウェイ - ウーファー + スコーカー + ツイーター
- 4ウェイ - ウーファー + スコーカー + ツイーター + スーパーツイーター またはウーファー + ミッドバス + スコーカー + ツイーターなど
- 5ウエイ（以上）
- ※以上の構成に、超低音再生のため、サブウーファーを追加することもある。
[編集] スピーカーユニット
- フルレンジ - 低音域から高音域まで全帯域用
- スーパートウィーター（スーパーツイーター） - 超高音域（25kHz～100kHz）。
100000Hz(100kHz)程度の人間が聞こえない周波数まで再生できるものもある。
- トウィーター（ツイーター） - 高音域（5kHz～24kHz）
- ミッドハイ - 中高音域
- スコーカー（ミッドレンジ） - 中音域（500Hz～5kHz）
- ミッドバス - 中低音域
- ウーファー - 低音域（100Hz～5kHz）
- サブウーファー（スーパーウーファー） - 超低音専門（約100Hz以下）
（上述の通り、メインのスピーカーと別で追加される場合もある）。
[編集] 形状・サイズによる分類
[編集] 用途による分類
- 家庭用(オーディオ用)
- PA/SR/拡声用
- 楽器用
- 水中用
- 組み込み用（携帯電話など）
- 軍用（音響兵器他）
- その他 特殊用途
[編集] その他
[編集] 構成部品
システムの構成は駆動部、振動版、筐体、ネットワークと呼ばれるローパス/ミドルパス/ハイパス・フィルター、入力接続部、（防振材、電気的な補正保護回路、固定具又は脚部）よりなる。
[編集] 出典
- ^ ブルーバックス 「音のなんでも小事典」日本音響学会編 ISBN4-06-257150-1
