スピーカー

出典: Wikipedio


thumb|200px|スピーカー

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。

目次

概説

電気によって音を出す機器には、スピーカー以外にチャイムブザーベルなどがあるが、これらは警告音などの大きな音を発生させることを目的としており、決まった振動数の音や固定されたメロディを発生させるのが普通である。それに対してスピーカーは、声や楽器音などの自然音をマイクロホンなどで電気信号に変換し、それを再び元の音波として再生することを目的としている。したがって、入力された電気信号の波形を忠実に音の波形へ変換する必要性から、生成される音に歪みや雑音などがなるべく加わらないように設計される。

スピーカーは、肉声や音楽をその場で大音響にして遠くまで伝える「拡声器」(メガホン)、携帯電話ラジオテレビ受信機、そして、音楽などをより原音に忠実な音で再生するための高級オーディオ機器に到るまで様々な音響製品に組み込まれ、それぞれの目的に応じた多くの形式がある。

スピーカーユニット

スピーカーの音の出る部分をスピーカーユニット(または単にユニット)と呼ぶ。これらは単体で使われることはまず無く、エンクロージャーに取り付けられたり、テレビや電話などの部品として内蔵されたりする。

ひとつのユニットで人間の可聴域(およそ20Hz~20kHz)全てを再生するのが理想であるが、現実には製作が難しい。そこで、特定範囲の周波数に特化したスピーカーユニットも存在する。各ユニットは担当する周波数によっておおよそ以下のように分類される。

これらのユニットを搭載することで以下のスピーカーシステムが作られている。

  • フルレンジスピーカー - フルレンジユニットのみを使用したもの。音域は広くないものの、ボーカルなどの中音域の音質に優れているとされる。構造が単純なため、自作スピーカーの入門用によく作られる。後でツイーターやスーパーウーファーを追加することもできる。
  • 2ウェイスピーカー - 「ウーファー+トゥイーター」または「フルレンジ+トゥイーター」で構成される。前者は市販の製品、後者は自作スピーカーに多い。
  • 3ウェイスピーカー - 「ウーファー+スコーカー+トゥイーター」で構成される。自作スピーカーの場合、スコーカーをフルレンジで代用することも多い。
  • 4ウェイスピーカー - 3ウェイにミッドバスやスーパートゥイーターを加えたもの。前者は市販の製品、後者は自作スピーカーに多い。
  • サブウーファー - スーパーウーファーとも呼ばれる。低音(約100Hz以下、いわゆる重低音)のみを出すための専用スピーカーシステムであり、他のスピーカーシステムと組み合わせて使われる。ウーファーユニットを搭載しているが、それらが外から見えないものが多い。ホームシアター製品のほとんどに付属しており、AV機器として広く普及しているといってよい。

2ウェイ以上のスピーカー(フルレンジ以外のスピーカー)をマルチウェイスピーカーと呼ぶ。マルチウェイスピーカーにおいては、各ユニットの音域が重複しないように音域を制限する電気回路が必要となる。これをクロスオーバー・ネットワーク(または単にネットワーク)と呼び、コンデンサーコイル抵抗などを組み合わせたフィルター回路で構成される。ネットワークの設計が正しく行われないと、位相特性や周波数特性が悪化する。このため、測定や試聴をくり返して最適な回路を組み上げてゆくのが普通である。

各ユニットの音域の境界にあたる周波数をクロスオーバー周波数という。2ウェイであれば1つの、3ウェイであれば2つのクロスオーバー周波数が存在する。ネットワークの設計において最も重要なのは、クロスオーバー周波数を適切に設定することである。ユニットを増やせば増やすほど再生できる音域は広がるが、反面クロスオーバー周波数が増えることでネットワークの設計が難しくなる。

マルチウェイスピーカーでは必然的に各ユニットの取付位置が異なるため、フルレンジと比較して楽器や声の位置がぼやけるという意見がある。これを解決するため、トゥイーターの上下を挟むように2つのウーファーを配置し、取付位置を見かけ上一致させたスピーカーシステムも販売されている。特殊な例として、ウーファーの中心部にトゥイーターを組み込むことで1つのユニットとした2ウェイユニットがタンノイ社やTechnics(現;パナソニック)やFOSTEX(現;フォスター)などによって出荷されている。これは同軸型(コアキシャル)2ウェイユニットと呼ばれる。

ダイナミック型スピーカーユニット

thumb|200px|right|内部構造:右端の振動板で空気を振動させ音を出す thumb|200px|right|スピーカーの振動板(コーン紙) thumb|200px|right|ダブルコーンスピーカー

一般的な音響機器に組み込まれているスピーカーユニットのほとんどがこの方式を採用している。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に到るまでその基本構造が変わっていないのは、この方式がシンプルでかつ極めて優れているからに他ならない。

ダイナミック型のスピーカーユニットにはドーナツ型の永久磁石が用いられる。このドーナツの穴にあたる円筒形の空間に、それよりわずかに直径の小さい筒「ボイスコイル」が挿入されている。ボイスコイルはコイルの一種であり、紙やプラスチックの筒に導線を巻きつけたものである。この導線に音声信号が流れると、フレミング左手の法則によってボイスコイルが波形に合わせて前後方向に振動する。ボイスコイルには振動板が直結しており、この振動板が一緒に振動することで音声信号と等しい波形の音が空気中に放射される。これはリニアモーターの原理そのものであり、ダイナミック型スピーカーはリニアモーターの一種であるといってもよい。

上記の各パーツはフレームと呼ばれる骨組に固定され、1つのユニットとして完成したものになる。永久磁石はフレームに強固に固定されるが、ボイスコイルと振動板は振動する必要があるため、ボイスコイルはダンパーを介して、振動板はその外周を取り巻くように張られた「エッジ」と呼ばれる柔軟な膜を介して、それぞれフレームに固定される。ダンパーとエッジは振動板をフレームに固定するサスペンション(懸架装置)であるが、前後方向の動きだけは妨げないようになっている。また、ダンパーは振動板の固有振動を抑える役割もしている。フレームには通常ねじ穴があり、それによってユニットがエンクロージャーなどに取り付けられる。

磁気回路に使われる永久磁石には高い磁束密度が求められる。コストパフォーマンスに優れたフェライト磁石がよく使われるが、小型スピーカーには磁力の強いサマリウムコバルト磁石ネオジム磁石なども使われる。なお、以前はアルニコ磁石も高級品を中心に使われていたが、ニッケル価格が高沸したため現在ではほとんど見られなくなった。またアルニコ磁石には磁気抵抗が少ないというメリットがあるが、減磁しやすい、特殊な磁気回路が必要というデメリットもある。

ダイナミック型スピーカーの振動板の構造

理想的なスピーカーに求められる性能としては、原音に忠実で歪みがないこと、点音源であること、全ての方向に同一の音圧、同一の音質で音を放射すること等が挙げられる。これらを実現するため、振動板の形状や大きさ、取り付け方法が工夫されている。

振動板の形状としては、低音用にはコーン型(くぼんだ円錐形)、高音用にはコーン型やドーム型(ふくらんだ半球形)が主流である。1980年代に平面型が流行したが、現在はほとんど使われていない。正面から見て真円形のものが殆んどであるが、テレビなどへの内蔵用として楕円形や多角形のものも使われる。

なお、大きなコーン型振動板の中央に小さいコーン型振動板を取り付けることで、広い帯域の再生を狙った「ダブルコーン型」もある。あくまで廉価品であり、タンノイ社の同軸型ユニットとは技術的に全く異なる。自作用やカーオーディオ用に多い。

ダイナミック型スピーカーの振動板の材質

振動板には、分割振動や共鳴による固有振動が少ないこと、変換効率が良いことが求められる。このため、硬く(=高ヤング率)、内部損失が大きく、かつ軽量な素材が使われる。また、経年劣化が少ないことも重要である。これら全てを高い次元で満たす材料を求めるのは容易でない。このため、ユニットの担当する音域に合わせて素材を変えるのが一般的になっている。

  • 紙 - 時代を問わず最も多く利用されている。適度に内部損失があり、比較的丈夫で軽量なため、廉価品から超高級スピーカーまで幅広く使われている。全ての音域に使用できるが、高音用にはあまり使われない。パルプに種々の材料を混漉することで特性を改善した紙も多く使われる。またホヤの繊維を使用したり、バクテリアに産生させたバイオセルロースを使用した製品もある。
  • 高分子 - ポリエステルアラミドポリプロピレン炭素繊維樹脂など。繊維状にして編んだり、ハニカム構造にして利用することが多い。主に低音~中音用ユニットに使われる。
  • 金属 - アルミニウムチタンホウ素ボロン)、ベリリウムマグネシウムなど。薄く軽量化でき、ヤング率がい反面、内部損失が小さいので固有振動が発生しやすい。このため、主に高音用ユニットに利用される。高音用は振動板が小さいため、固有振動を可聴周波数外に追い出すことができるからである。これらの金属にダイヤモンド薄膜をコーティングしたり、炭化処理、窒化処理、酸化処理、非球面加工、ダンプ剤塗布などして、固有振動を分散化する処理も広く行われている。
  • その他 - 人工ダイヤモンドそのものを振動板としたもの、薄くスライスした木板を振動板をしたものなどがあるが、いずれも主流にはなっていない。

エンクロージャー

エンクロージャーとはスピーカーユニットを取り付ける箱のことである。音には障害物の向こうに回り込む性質(回折)があり、低音になるほど顕著である。このため、ユニットをむき出しのまま使うと、裏から出た低音が前に回り込んで打ち消しあい、低音が小さくなってしまう。そこで、ユニットをエンクロージャーに取り付けることで裏から出た音を遮断するのである。ユニットをエンクロージャーに組み込んだものをスピーカーシステム(または単にスピーカー)と呼ぶ。ほとんど全てのスピーカーはこの状態で市販されている。

エンクロージャーは、振動板の反作用によって振動する。また、内部で音が反射して定常波が発生する。これらは音質を悪化させるため、補強材や隔壁で強度を確保し、フェルトなどの吸音材で定常波を吸収する。このエンクロージャーの設計によってスピーカーシステム全体の音質が決定され、製品の個性となる。固有の振動を持たないことが要求されるため、通常は木材(MDFパーティクルボード合板)が使われる。

エンクロージャーには数多くの方式があるが、市販品のほとんどは「密閉型」か「バスレフ型(位相反転型)」である。以下に主な方式を記す。

  • 密閉型 - 箱を密封し、振動板背面から発せられる音の影響を完全に遮蔽する。癖の少ない素直な音質が特徴である。反面、エンクロージャーが小さいと振動板の動きが制限され、低音の少ない詰まった音になりやすい。このため、小型のスピーカーにはあまり使われない。
  • バスレフ型 - エンクロージャーの前面や背面に筒状の貫通穴(ポート)を設け、その中でユニット裏面から発せられた低音を共振させる。これが振動板の前面から発せられた低音に加算され、豊かな低音が得られる。反面、共振周波数よりさらに低い低音がほとんど出なくなる。また、設計が悪いと音に癖が付いたり、貫通穴のところで風切り音が出たりする。
  • バックロードホーン型 - エンクロージャーの内部に、少しずつ太くなってゆく音の道(ホーン)が折りたたまれており、箱のどこかにホーンの出口がある。振動板の裏側から出た音のうち低音のみがホーンで増強され、出口から放射される。小さなスピーカーユニットで豊かな低音が得られる反面、設計や製作に手間がかかる。自作スピーカーや、海外メーカーの超高級品に使われている。

なお、ユニットの前にラッパ状の曲面(ホーン)を取り付けたスピーカーを「フロントロードホーン型」と呼ぶ。これは上記の各エンクロージャーと組み合わせて使用されるものであり、エンクロージャーの方式を指す用語ではない。指向性をコントロールでき能率に優れている反面、大型になりやすい。超高級スピーカーや大型の自作スピーカー、コンサート用の大音響スピーカーに利用される。なお慣例として、ある程度以上の大きさかまたは後付のホーンにしか使われない言葉である。たとえばトゥイーターユニットには最初から数cmの小型ホーンが一体化されていることが多いが、これをフロントロードホーンと呼ぶことはない。

音質の指標

オーディオ用のスピーカーは「周波数特性」「歪率」「過渡特性」「指向特性」などを改善するために様々な工夫がなされており、音質の良し悪しの指標として使われる。

  • 周波数特性 - 人間が可聴域の音程を全域再生でき、かつどの周波数でも均一な音圧が得られることが求められる。
  • 歪率 - スピーカーに入力された音声信号の波形に相似する音声波が出力され、余分な音が加わらないことが求められる。
  • 過渡特性 - スピーカーに複数の周波数の音が混じって入力された際、位相が正確であること(それらの音に時間的ズレが生じないこと)が求められる。
  • 指向性 - スピーカーから、全方向に均等な音圧が放射されることが求められる。
  • 音の好み - 人間の好みに基づく音を追求したもの。フラットでない周波数特性にする、エンクロージャーを共鳴させる、歪を増やすなど、様々な方法で音の色づけを行う。

歪率について

スピーカーは、グラム単位の質量を有する振動板を動かすという構造上、歪みはどうしても大きくなる。適切に設計されたスピーカーの中には、可聴域(100ヘルツ以上)の歪率が0.5%を切るものも存在するが、それでも他の機器(CDプレーヤー、アンプなど)の歪率が0.01%を切っていることを考えると2桁以上大きな歪率である。

歪みを発生させる非線形部品としてはダンパーやエッジ、そして設計が悪い磁気回路などが挙げられる。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る。また、低音用の振動板は重いため慣性による逆起電力(制動力)を発生させ、これも歪みの原因となる。このためスピーカーの歪みは低音域で発生しやすく、実際に測定してもそのような結果になる。

指向性について

オーディオ用スピーカーが広い指向性を理想としているのに対し、指向性を絞って特定の方向に大きな音を伝えたい場面も存在する。たとえば学校教育現場のアナウンス、交通機関の案内放送、街宣車などである。

理論上は指向性を絞るには振動板を大きくすればよいが、直径数m以上ものが必要となり非現実的である。そこで、ホーンと呼ばれる円錐形に広がる管を取り付けたスピーカーが、上記用途の拡声器として使われている。

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。<ref>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</ref>

音の好みについて

Template:独自研究

ドンシャリ好き

原音を追求しようとするとドンシャリに行き着く。これは住宅事情と人間の聴覚特性による自然で合理的な帰結である。

そもそも原音追求というのは、スピーカーから出た音を聞いて実際の場にいて聞いているように脳で感じることであるが、そのためには原音と同じ音量で聞くことが肝要である。だが、一般の家庭でコンサート会場の音量で聞くことは住宅事情により難しく、その数分の1の音量で聞かざるをえないのが現状である。このような小音量になると、迫力が殺がれるだけでなく、低音と高音が聞こえにくくなるという人間の聴覚特性(等ラウドネス曲線)により、低音と高音が痩せた音に聞こえてしまう。

ところで、低音と高音を適度に強調すれば、小音量でも原音に近い音質に改善できることが知られているが、このような補正回路はラウドネスコントロールとしてアンプなどに組み込まれていることが多い。携帯音楽プレーヤーなどに付属しているイコライザーにおいては、クラシックロックなどのプリセットがドンシャリであるのは、これらのコンサートが大音量であることを反映していることに他ならない。もし、イコライザーなどに頼らずに小音量の音質を改善しようとするならば、ドンシャリの周波数特性を持つスピーカーで聞けばよい。これが一般にドンシャリが好まれる理由である。

防音壁を備えた完璧なオーディオルームを持つ裕福なオーディオマニアにとっては、原音と同じ音量で音楽を聞くことができるのでドンシャリは必要ない。このため、ドンシャリ好きはバカにされることが多いが、一般の家庭では耳の肥えたマニアでさえ、既存のスピーカーシステムにスーパーウーファーやツイーターを追加して、いつの間にかドンシャリになっていることが多い。ドンシャリは、小音量でしか聞くことができない庶民にとって、コンサートの迫力や音質に少しでも近づくための合理的な方法であり、恥ずべきものではない。

歪好き

一般にスピーカーの歪は嫌われるはずだが、やはり住宅事情により多少の歪があった方が良い音に聞こえるという逆の現象が起こっている。

オーディオマニアはフラットな周波数特性を求めがちだが、一般の家庭では小音量で聞かざるをえないため、低音と高音が痩せてしまうというジレンマが起こる。このような状況において、真空管アンプでスピーカーを鳴らすと「バイオリンの音の艶が上がった」などと喜ぶマニアがいるが、これは真空管の歪によってバイオリンの倍音が強調され、痩せた高音域が補われるからに他ならない。歪が小さい高性能真空管アンプではこのような効果が起こらないことから、マニアが歪好きであることは明らかであろう。高能率ホーンスピーカーは空気の粘性により一般に歪が大きいが、同様の理由によりこれを好むマニアが多い。

1970年代や1980年代において、フラットな周波数特性で低歪を追求した、高性能な国産スピーカーが盛んに開発されたが、マニアから「つまらない音」というレッテルを貼られて次々と消えていった経緯がある。これは、このような高性能スピーカーは原音と同じ音量で聞いてこそ真価を発揮するのであり、小音量でしか聞けない歪好きのマニアには用がなかったからである。このような経緯により、高価なスピーカーでも歪がそれなりに大きい製品が市場に多く出回ることになった。

しかし、歪の大きいスピーカーは邪道であることに変りなく、クラシックは素晴らしい音だがボーカルが変に聞こえるなどのように、音源の種類によって音の良し悪しが変わるというジレンマがついてまわる。これは、歪が原音にない音を作り出すことが原因であるから、スピーカーを歪の小さいものと交換する以外に改善する方法はない。これに気づかないマニアは、アンプを交換したり、スピーカーケーブルのつなぎ方を変えたりなど、虚しい悪戦苦闘を延々と続けているのである。

スピーカーの分類

ユニットの変換方式による分類

  • ダイナミック型
  • コンデンサ型(静電型)
  • リボン型
  • イオン型(放電型)
  • マグネティック型
  • 圧電型

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

エンクロージャーによる分類

※これらは組み合わせて使用されることも多い。

形状・サイズによる分類

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

その他

  • スピーカーはエレクトロニクス関係の業界用語では「ラッパ」と呼ばれることがある。なお、1950年代までの古いラジオ関連の技術文献では「高声器」(こうせいき)という標記がされている。
  • 実用レベルではないものの、スピーカーをマイクロフォンとして使うこともできる。
  • 人間の耳で聴き採りが可能な音の周波数は、年齢等で個人差はあるが単音で測定すると40~18000ヘルツ程度である。しかしスピーカーから音楽等の複合音を再生する場合、可聴外と言われる超低音や超高音の有無が、音の自然さの再現に影響をもたらしていることが実験的に判っている。特に音の倍音成分の再現が重要で、近年では、20000ヘルツを超える音の再生を可能とするスピーカーが一般的になっている。また、音楽記録媒体でも20000ヘルツを超える高音域の再生が可能な「SACD」や「DVD-Audio」が市販されている。

出典

<references/>

関連項目

Template:Commonscat

ar:مكبر الصوت bg:Високоговорител ca:Altaveu cs:Reproduktor da:Højttaler de:Lautsprecher el:Ηχείο en:Loudspeaker eo:Laŭtparolilo es:Altavoz et:Kõlar fa:بلندگو fi:Kaiutin fr:Haut-parleur ga:Callaire gl:Altofalante he:רמקול hr:Zvučnik hu:Hangszóró id:Pengeras suara it:Altoparlante kk:Үндеткіш ko:스피커 lt:Garsiakalbis mg:Famoaham-peo ml:ഉച്ചഭാഷിണി ms:Pembesar suara new:लाउदस्पिकर nl:Luidspreker nn:Høgtalar no:Høyttaler pl:Głośnik pt:Altifalante qu:Ruqyaq ro:Difuzor ru:Громкоговоритель sco:Speaker sh:Zvučnik simple:Loudspeaker sk:Reproduktor (elektroakustický menič) sl:Zvočnik (naprava) sq:Altoparlanti sr:Рачунарски звучник su:Lawong sv:Högtalare ta:ஒலிபெருக்கி th:ลำโพง tr:Hoparlör uk:Гучномовець vi:Loa zh:揚聲器

個人用ツール