スピーカーの仕組み

Hi-Fi スピーカーは 70 年以上存在していますが、オーディオの世界に初めて参入した多くの人々にとって、さまざまなコンポーネントと開口部を備えたこれらの木箱は神秘的に見えるかもしれません。だからこそ、私たちは高品質サウンドの世界への旅を始めたばかりの人のためにこの記事をまとめました。

設計と製造における数十年の技術進歩にもかかわらず、スピーカー (または音響トランスデューサー) の動作の背後にある基本原理は、エドワード ケロッグとチェスター ライスが 1925 年に初めて導入して以来、ほとんど変わっていないことを理解することが重要です。スマートフォンの小さなスピーカー、テレビの下のサウンドバー、またはコンサートの巨大なスピーカーはすべて同じ基本設計を共有しています。

Hi-Fi システムの進化により、驚くべき音質がもたらされましたが、スピーカー テクノロジーの背後にある基本原理を理解することは、独自のオーディオ システムを構築する際に、より多くの情報に基づいた意思決定を行うのに役立ちます。

スピーカーはどのように機能するのでしょうか?

スピーカーのコンポーネントがどのように機能するかを詳しく説明する前に、スピーカーが一般的にどのようにサウンドを生成するかを理解しましょう。増幅されたオーディオ信号は、ワイヤーで作られた金属コイルに送られます。コイルに電流が流れると、スピーカー内の磁石と相互作用し、振動板が振動します。

これらの振動が空気を動かし、元のオーディオ信号を正確に再現した音波を生成します。そうすると、音楽であれ、誰かの声であれ、音が聞こえます。もちろん、これは簡略化した説明ですが、基本を理解したところで、さらに詳しく見てみましょう。

スピーカー、またはサウンド トランスデューサーは、オーディオを聞くことを可能にするスピーカー システムの重要なコンポーネントです。その役割は、アンプからの電気信号を音響波に変換し、空気中を伝わり、私たちの耳に届くことです。

アンプに接続するために、スピーカーにはスピーカー内部に隠されたボイスコイルに接続された 2 つの端子があります。このコイルは、スピーカーの背面にある永久磁石の極間の狭い隙間に配置されています。交流 (電気オーディオ信号) がコイルを流れると、学校で習った電磁気の原理に従ってコイルが前後に動きます。

スピーカーの前面に見える振動板にコイルが取り付けられているため、振動板（コーン）も前後に動きます。これらの動きにより、私たちが音として認識する音波が生成されます。振動板が自由に動くことを可能にするために、振動板は柔軟なサラウンドに取り付けられています。振動板の動きの振幅が大きいほど、聞こえる音は大きくなります。

スピーカーの中には何が入っているのでしょうか？

スピーカーの内部を見て、各部品が音の生成においてどのような役割を果たしているかを詳しく見てみましょう。

スピーカー

スピーカーの主な仕事は、電気信号を音波に変換することです。本質的には、サウンド制作を駆動する「エンジン」です。

スピーカーの主なコンポーネントは次のとおりです。

• ポール;
• バックプレート。
• 磁石;
• トッププレート;
• ボイスコイル。
• バスケット;
• スパイダー;
• コーンとサラウンド。
• ダストキャップ。

ポール、バックプレート、トッププレート

ポールは導体のように機能し、スピーカーの磁気システム全体を調整します。それは中心に位置し、磁場を方向付けます。バックプレートはポールの後ろに配置され、トッププレートはポールの真上に配置されます。

磁石

磁石は、磁界を集中させるのに役立つポールとプレートに囲まれたスピーカー内に磁気エネルギーの一定の供給源を提供します。スピーカーのバスケットに固定されており、磁気特性を永久に保持するため永久磁石と呼ばれます。一方、磁石と相互作用するボイスコイルは、電流が流れたときにのみ磁性を持ちます。

ボイスコイル

ボイスコイルは、ボビンとも呼ばれる小さな円筒の周りにしっかりと巻かれたワイヤーです。ヨーヨーのようなものだと考えてください。電気信号がコイルを通過すると電磁石となり、スピーカー内の永久磁石と相互作用します。物理学の授業を覚えているなら、同じ電荷は反発し、反対の電荷は引き合うことがわかるでしょう。この磁気相互作用によりコイルが前後に動き、最終的に音波が発生します。

スパイダーとサラウンド

スパイダーは波形素材でボイス コイルをサポートし、ボイス コイルを正確に前後に動かしながら所定の位置に保ちます。直観に反するように思えるかもしれませんが、スパイダーはコイルが横にずれないようにし、安定した動きを維持します。

サラウンドはコーンと同様の目的を果たします。コーンをスピーカーバスケット上部の所定の位置に保持し、音を出しながらコーンがスムーズに移動できるようにします。

円錐

コーンは振動板とも呼ばれ、スピーカーの数少ない目に見える部分の 1 つです。ボイスコイルからの磁気インパルスに応じて前後に動きます。この動きにより周囲の空気に圧力波が発生し、私たちが聞く音が発生します。

ダストキャップ

ダスト キャップは、スピーカーの内部部品を埃や破片から保護し、潜在的な損傷を防ぐ小さなコンポーネントです。

バスケット

バスケットは、すべてのスピーカー コンポーネントをまとめて保持するフレームです。名前が示すように、すべてのパーツが単一の構造に集められるバスケットのような役割を果たします。

それがスピーカーの仕組みです。ただし、「スピーカー」について話すときは、通常、内部コンポーネントだけではなく、システム全体を指します。しかし、スピーカーが効果的に機能するためには他に何が必要でしょうか?

電気部品

ボイスコイルが音を発生させるには、電気信号が必要です。ここでスピーカー端子と編組線が活躍します。端子は、オーディオ ケーブルがスピーカーに接続される金属製の接続ポイントまたはポートです。

これらの端子は、ボイス コイルに電力を供給する編組線に接続され、ボイス コイルに電力を供給するために必要な「燃料」を提供します。このワイヤーは、音に変換される電気信号を送信する役割を果たします。

囲い

エンクロージャ、またはスピーカーの「キャビネット」は、スピーカーがどのように機能するかにおいて重要な役割を果たします。まず、内部コンポーネントを埃、汚れ、ペットの毛などの外部要素から保護する密閉ハウジングを提供します。

第二に、エンクロージャは位相歪みを軽減します。スピーカーの振動板が動くと、両方向に音波が発生します。エンクロージャがないと、これらの波が互いに打ち消し合い、音質が低下する可能性があります。

最後に、エンクロージャーは音の方向と低音のチューニングに影響します。適切に設計されたキャビネットは、サウンドを必要な場所に導き、低周波の知覚を強化します。

エンクロージャは通常、不要な共振や振動を防ぐために高密度で硬い素材で作られています。最も一般的な素材は木材または MDF (中密度繊維板) ですが、プラスチックが使用されることもあります。

スピーカーはどのようにして異なる周波数を再生するのでしょうか?

スピーカーが電気エネルギーを音波に変換する仕組みについてはすでに説明しました。ただし、すべての音声周波数が同じであるわけではないため、1 つのスピーカーで音声のスペクトル全体を処理しようとすると、品質が低下します。

そのため、コンサートでは、大量のオーディオ システムが積み上げられているのをよく見かけます。各スピーカーは特定の周波数範囲を処理するように設計されています。サブウーファーとウーファーが低周波を管理し、ミッドレンジドライバーが中音域をカバーし、小型ツイーターが高周波を担当します。これらのスピーカーは、これらの異なる音域を処理するために異なる方法で構築されています。

もちろん、ほとんどの人はスタジオやリビングルームを大量のスピーカーや周波数ごとに個別のドライバーで埋め尽くしたくはありません。ここでマルチドライバースピーカーが登場します。

マルチドライバースピーカー

マルチドライバー スピーカーは、2 つ、3 つ、または 4 つの異なるサイズのドライバーを使用して、さまざまな周波数を処理します。最も一般的なタイプは 2 ドライバー スピーカーで、しばしば 2 ウェイ システムと呼ばれます。

2 ウェイ スピーカーの内部には、オーディオ信号をさまざまな周波数範囲に分割する特別なコンポーネントであるクロスオーバーがあります。高周波はツイーターに送られ、中音域と低周波はウーファーに送られ、フィルターを使用して周波数を適切に分割します。

クロスオーバーを使用することで、スピーカーは単一のドライバーだけでは不可能なレベルの品質でサウンドの全帯域を再現できます。

ツイーターとウーファー

お気づきかと思いますが、ほとんどの Hi-Fi スピーカーには、フロント パネルに異なるサイズの複数のドライバーが搭載されています。しかし、それはなぜでしょうか?理論的には、単一のドライバーでオーディオ周波数の全範囲を再生できますが、このアプローチには実際的な制限があります。

ツイーターとウーファー

小型のドライバーでは、適切な音量で低周波を生成するのに十分な空気を移動させることができません。反対に、低音をうまく処理する大型ドライバーには機械的な制限があり、高周波を効率的に再生することができません。ドライバーのもう 1 つの重要な特性は指向性です。これは、サウンドのバランスが適切に保たれる角度を指します。ドライバーの指向性はそのサイズによって異なります。大きいドライバーは高周波での指向性が狭くなりますが、小さいドライバーは低周波で苦労します。

高周波スピーカー

すべての周波数にわたって高品質でバランスの取れたサウンドを実現するために、スピーカーは異なるサイズの複数のドライバーを使用します。各ドライバーは、特定の周波数範囲 (低域、中域、高域) を処理できるように特別に設計されています。各ドライバーが設計された周波数のみを受信できるようにするために、オーディオ信号をさまざまな周波数帯域に分割するクロスオーバーとして知られる特別なコンポーネントが使用されます。しかし、それについては次回お話します。

スピーカーのインピーダンスとは何ですか?

スピーカーのインピーダンスは、スピーカー内の電流の流れに対する全体の抵抗を指します。これはオーム単位で測定され、ボイス コイル ワイヤの抵抗と、ワイヤがコイルに巻かれることによって生じるインダクタンスの両方が含まれます。標準の抵抗とは異なり、インダクタンスは信号の周波数とともに変化します。これは誘導リアクタンスとして知られる現象です。

この変数により、インピーダンスは「通常の」抵抗とは異なり、複雑な式を使用して計算されます。エンジニアでない限り、その式を覚える必要はありません。覚えておくべき重要なことは、最適なパフォーマンスを得るにはスピーカーとアンプのインピーダンスを一致させることが重要であるということです。インピーダンスの不整合は、音質の低下、過熱、さらには機器の損傷を引き起こす可能性があります。

したがって、問題を回避し、機器を危険にさらすことなく高品質のサウンドを楽しむために、スピーカーがアンプと互換性があることを常に確認してください。

スピーカーの出力とスピーカーの感度

「大きいほど良い」ですよね？

いつもではありません。多くの人は、スピーカーのワット数が高くなれば自動的に音が大きくなると考えています。しかし実際のところ、その力をすべて使いこなすことができるでしょうか？

スピーカーを比較するより良い方法は、感度に注目することです。デシベル (dB) で測定される感度は、スピーカーが電気エネルギーを音に変換する効率を示します。感度評価が高いほど、スピーカーは所定の電力量でより多くの音を生成できます。言い換えれば、電気を音波に変えるのに優れた働きをします。

スピーカーの性能とパワーを比較する場合、感度評価は競争の場を平準化します。ただし、外部アンプを使用している場合でも、スピーカーが処理できる電力の大きさを考慮する必要があります。電力処理は、スピーカーが損傷せずにどれだけの電力を受け入れることができるかを示すため、アンプの出力とスピーカーの定格電力を一致させることが重要です。

高感度か低感度のどちらを選択するかは、システムのニーズによって異なります。エネルギー効率が重要な場合 (ポータブル スピーカーやカー オーディオ システムなど)、より感度の高いスピーカーが必要になります。一方、プロのオーディオ設定では、より高い電力容量を持つスピーカーが必要になる場合があります。

周波数応答

スピーカーの周波数応答について話すとき、私たちはさまざまな周波数範囲にわたってサウンドを再生する能力について話します。完璧なスピーカーは存在しないため、周波数応答グラフは、スピーカーが強調しすぎたり、パフォーマンスが低下したりする周波数を明らかにするのに役立ちます。

周波数応答はいくつかの理由から重要です。まず、マルチドライバー システムを設計し、異なるドライバー間で周波数を分割するクロスオーバーを設定するときに重要です。 2 つ目は、プロのスタジオでの作業であれ、家庭での音楽鑑賞であれ、特定のオーディオ ニーズに適したスピーカーを選択するのに役立ちます。

多くの民生用スピーカーは、サウンド体験を向上させるために、周波数応答がわずかに「スマイル」カーブになるように意図的に調整されています。ただし、音楽制作の場合は、フラットな周波数特性を持つスピーカーが必要です。これにより、楽器やサンプルが周波数範囲のディップによってマスクされたり、ピークによって人為的にブーストされたりすることがなくなります。

基本的に、フラットな周波数応答を持つスピーカーは、元のオーディオ ソースを忠実に反映した正確でクリーンなサウンドを提供します。これは、正確なミキシングとマスタリングに不可欠です。

ヘッドフォンはどうですか？

ヘッドフォンはスピーカードライバーと同じテクノロジーを使用していますが、規模は小さいです。基本的に、これらは耳の上または内側に設置され、パーソナライズされたサウンドを提供する小さなスピーカーです。

ステレオスピーカーはどのように機能しますか?

通常、単一のスピーカーはモノラルでサウンドを再生します。完全なステレオ サウンドステージを実現するには、左右のオーディオ信号を送信し、広々としたサウンド環境を作り出すように配置された 2 つのスピーカーが必要です。

しかし、サウンドバーはどうでしょうか？ステレオ効果はどのようにして生み出されるのでしょうか?

ステレオ出力用に設計されたサウンドバーには、キャビネット全体に複数のドライバーが配置されています。ステレオ信号は左チャンネルと右チャンネルに分割され、各ドライバーがその部分を受信して​​、より広いステレオイメージを作成します。これらのシステムには、重低音用の追加のサブウーファーが付属していることが多く、低音域やバットマンの砂利声の再生に最適です。

スピーカーを発明したのは誰ですか?

20 世紀初頭の他の多くの発明と同様、ラウドスピーカーを発明したのは 1 人だけであるとは考えられません。科学者やエンジニアが音波と電流について理解を深めるにつれて、このテクノロジーは時間の経過とともに進化しました。

電話の有名な発明者であるアレクサンダー グラハム ベルは、19 世紀後半にラウドスピーカーの初期バージョンの 1 つを開発し、オーディオ技術に多大な貢献をしました。それから間もなく、オリバー ロッジは最初のムービング コイル スピーカーを作成しました。 1915 年、デンマークの技術者ピーター L. ジェンセンとエドウィン プリダムは、振動板に取り付けられたワイヤーのコイルが磁界の中に置かれる動電型スピーカーの特許を取得しました。

1925 年に大西洋を越えて、エドワード W. ケロッグとチェスター W. ライスは振動板を備えたダイナミック ラウドスピーカーを開発し、後に RCA からライセンスを取得しました。彼らの設計には、現代のスピーカー技術の基礎を形成する多くの要素が含まれていました。

現在、音楽や映画を高音質で楽しめる技術の発展には、多くの人が貢献したと言えるでしょう。多くの偉大な発明と同様、現代のスピーカーに命を吹き込むには、まさに村が必要でした。

音響システムの未来

テクノロジーは小型化、低コスト化が進んでいます。これは事実です。しかし、スピーカーに関しては、その中核となるテクノロジーは発明以来ほとんど変わっていません。

実際、スピーカーは現在私たちが使用しているテクノロジーの中で最も非効率的なものの 1 つです。スピーカーに入るエネルギーの 99% 以上は音に変換されません。そのほとんどは熱として廃棄されます。環境保護庁（EPA）がエネルギー効率の悪さを理由にスピーカーをまだ禁止していないのは驚くべきことだ。

しかし、2004 年に発見された新素材グラフェンのおかげで、スピーカーの未来が変わる可能性があります。この素材は信じられないほど軽量であるため、音波を生成するために前後に移動するのに必要なエネルギーがはるかに少なくなります。これは、特に高周波で効率的に機能するためにこのような軽量素材を必要とするツイーターにとっては朗報です。

科学者がグラフェンの生産規模を拡大し、それを商用製品に組み込むことができれば、将来のスピーカーはより軽く、よりエネルギー効率の高いものになる可能性があります。

それまでは、現在あるもの、電気信号を気圧の変化に変換するミニスペースヒーター (スピーカーとも呼ばれます) でしのぐ必要があります。