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スピーカーの原理を図で解説!構造と仕組みが一発で分かる!

2018.06.27

「スピーカーからどういう原理で音が出ているのだろうか。」と疑問に思ったことはありませんか?複雑そうだと思われがちですが意外と簡単な仕組みで作られています。今回は、そんなスピーカーの仕組みや原理などを種類別にご紹介していきたいとおもいます。

  1. スピーカーの音の出る原理はフレミングの左手の法則が関係していた!
  2. スピーカーの種類ーフルレンジスピーカー
  3. スピーカーの種類ーマルチウェイスピーカー
  4. スピーカーユニットとは?
  5. スピーカーユニットの原理や構造ーコーン型
  6. スピーカーユニットの原理や構造ードーム型
  7. スピーカーユニットの原理や構造ーホーン型
  8. スピーカーユニットの原理や構造ーリボン型
  9. エンクロージャーとは?
  10. エンクロージャーの原理や構造ー密閉型
  11. エンクロージャーの原理や構造ー平面バッフル型
  12. エンクロージャーの原理や構造ーバスレフ型
  13. エンクロージャーの原理や構造ー後面開放型
  14. まとめ
引用: https://juken-mikata.sakura.ne.jp/wp-content/uploads/2016/05/hureminngu-728x396.png
まず、フレミングの法則とは、ジョン・フレミングによって考えられ、上記の図のように磁場内において電流が流れる導体に力が発生する現象(ローレンツ力)の、それぞれの向きの関係を示す方法のことで、簡単に言うと電流の向きと磁界の向きの2つから、力の向きを求めるときに使います(フレミングの右手の法則とは、異なるので注意する)。
引用: http://www.toa.co.jp/kikumiru/wiki/?plugin=ref&page=%E3%82%B9%E3%83%94%E3%83%BC%E3%82%AB%E3%83%BC&src=dgm12-1.gif
スピーカーとは、簡単にいえば、電気を音に変換する装置です。一般的には、コーン紙と呼ばれる振動板、コイル、磁石によって成り立っています。上記の図のように、コイルに電流を流して、フレミングの左手の法則によって発生する力をコーン紙に当てます。このコーン紙の振動が空気圧の変化となり、音声へ変換されるという仕組みです。ちなみにフレミングの左手の法則は、扇風機や掃除機などでも用いられており、左手のフレミングの法則が多岐にわたり重宝されていることがわかります。
引用: http://www9.wind.ne.jp/fujin/diy/denki/audio/image/sp1/sp2.gif
簡単に言うとボイスコイルと呼ばれているコイルに電気を与えると、周囲の磁力と反応して力が発生します。それにより、この力でコーン紙(振動面)を振動させるのです。このコーン紙の振動はさらに空気を振動させて、それが空気圧の変化となり、音声となって聞こえます。
引用: http://blogimg.goo.ne.jp/user_image/60/ab/80305a9ceae80f28e3fe8a78e2e505ca.jpg
フルレンジとは、低音から高音までを1つのユニットでカバーするスピーカーのことを言います。シングルコーンと呼称することもあります。発音源が1箇所のため、マルチウェイ・スピーカー方式のように周波数帯域を分割する必要がなく、コンデンサーや抵抗、コイルといった電気部品が不要のため、音質的劣化が少ないのがメリットです。したがって、アンプの信号が直結されたものとみなすことができ、人間の耳に最も敏感な100Hz~5kHz近辺の帯域で位相変化が少ないことも相まって、低音から高音までバランスが良く、聴きやすいです。
引用: https://dime.jp/genre/files/2017/11/F002.jpg
デメリットは、1基のユニットですべての周波数帯域をカバーするには限界があり、低音、高音のエネルギー不足が生じてしまいます。そのため、高音域においては、ユニットの分割振動(共振)によって歪みや位相特性の劣化が大きくなってしまいます。
引用: http://highsound.net/blog/wp-content/uploads/DSC_0309.jpg
一個のスピーカーで低音から高音まで完全に再生するのは不可能なので、スピーカーを低音用(ウーハ)、中音用(スコーカー)、高音用(ツイータ)と3種類に分けたりするんです。この方式を採用したスピーカーをマルチウェイスピーカーと言います。3種類ではなく、ウーハとスコーカーを一個のスピーカーにして、ツイーターを追加した2ウェイ、低音、あるいは高音をさらに補強するためにスーパー・ウーハやスーパー・ツイータを追加した4ウェイ、5ウェイもあります。
引用: https://image.yodobashi.com/product/100/000/001/001/524/976/100000001001524976_10204.jpg
マルチウェイスピーカーの長所は、低音から高音まで幅広い音域をカバーすることができる点です。さらに、デザインもオシャレなのが多くおすすめです。しかし、そのために、製作・調整が面倒になりやすく、高価なってしまうのが短所です。
引用: http://www.mx-spk.com/image/photo5_2.jpg
スピーカーユニットとは、音の信号を振動させるパーツのことです。音を出すにはいろいろな仕組みがあり、そのスピーカーユニットの形や大きさによって、再生する音の音域が異なってきます。どんなスピーカーユニットをどう組み合わせるかによって、音が変わってきます。
引用: https://pds.exblog.jp/pds/1/201702/16/01/c0113001_16322278.jpg
引用: http://jp.pioneer-audiovisual.com/homeav/knowledge/img/sp_corn.jpg
まず最も普及しているといえるのがコーン型で、上記の図のように円錐(コーン)型の振動板を振動させることによって音を出すため、コーン型という名前がつけられています。低音から高音まで広い帯域をカバーし、振動板の角度である半頂角の深さにより音の出る音域が異なってきます。フラットコーンやダブルコーン他、振動板には多くの形状があり、用途に合わせて使い分けることができます。
引用: http://jp.pioneer-audiovisual.com/homeav/knowledge/img/sp_dome.jpg
コーン型と上記のようなドーム(半球)型の振動板を、一緒に振動させて音を出すドーム型スピーカーがこちらです。指向性の広さや過渡特性、音色の良さといった点が非常に優れています。コーン型に比べ、振動板の面積が小さく軽いため、小口径で振幅値の小さい高域再生を行うトゥイーターなどに用いられます。
引用: http://jp.pioneer-audiovisual.com/homeav/knowledge/img/sp_horn.jpg
磁気回路と振動板によるドライバーユニットと、ホーン部の二つのユニットから構成(上記の図)され、振動板から直接音を出さず、ホーン(牛の角)を用いて音を増殖し出力するスピーカーです。おもに中高域用として活用され、低域用には巨大なホーンが必要となるため、システム全体が必然的に大きくなってしまうのが短所です。
引用: http://jp.pioneer-audiovisual.com/homeav/knowledge/img/sp_ribon.jpg
リボン型は音声信号が流れる薄いリボン状のアルミ箔などによる振動板を強力な磁界で挟み込んだ構造で、再生周波数が100kHzにも達する製品も存在し、繊細なサウンドを得意とします。
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引用: https://item-shopping.c.yimg.jp/i/l/nekorin65_026
エンクロージャーの名前の由来は「囲い込むもの」で、機械類を格納する筐体を指します。スピーカーのエンクロージャーには、スピーカーユニットの前から出る音と背面から出る音を分ける役割があり、スピーカーユニットの振動板は互いに逆相の音を出すので、この音同士がブッキングすると低音域では打ち消し合ってしまいます。そのため、スピーカーユニットを裸で鳴らすと低音が出ないが、エンクロージャーに取付けることで低音を再生できるようになる仕組みをエンクロージャーというのです。
引用: http://internetcom.jp/upload/20161121/images/speaker.jpg
引用: http://diy-sound.net/wp-content/uploads/spbox01b.gif
スピーカーユニットの後ろを上の図のように箱で密閉し、振動板の背面から出る音を外に漏れさせないための構造になっています。また、スピーカーユニットの背面から出る中高域の反射音や定常波を防ぐ目的で、一般的には、これらを吸収減衰させる吸音材がはいっています。この方式は、中・小型の密閉型スピーカーに多く使われています。
引用: http://diy-sound.net/wp-content/uploads/spbox02b.gif
平面バッフル型は、ユニットを板(バッフル)に取り付ける事によって、背面に放出された低音が前面に反射してしまうのを遮る役割を果たしています。上の図のように、ただの板にスピーカーユニットを取り付けたものなので、ユニットの動作を抑えてしまうような事がなく、伸び伸びと音が鳴るのが長所です。短所としては、低い帯域の背面の低音は回折して前面の音と打ち消しあってしまうので、低音を再生することに関しては、他の方式に比べて劣ってしまいます。
引用: http://diy-sound.net/wp-content/uploads/spbox04c.gif
バスレフ型スピーカーは、スピーカーユニットの背後から出る音を使って、低音を強くしようとするやり方です。ポートを使うことによって、その周波数をコントロールするのです。ポートを出す位置によって、フロントダクトやリアーダクト、エンクロージャーの底にポートの出口を設けたものなど実に色々な種類があります。比較的簡単に低音を出す方法なので、実は、市販品では圧倒的にバスレフ型が多いです。
引用: http://diy-sound.net/wp-content/uploads/spbox03b.gif
バッフル板を上記の図のように後ろに折り曲げるやり方がこちらです。後面開放型では、小さいバッフル板でも、平面バッフルに近い効果が得ることができます。前後の空気が中に入り込むにはスピーカー筐体を回る必要があり、これにより前後の空気の移動を遮断する構造になっています。メリットは、平面バッフルより小型化できる点や密閉型と違いストレスのないユニットの動きが可能な点です。デメリットとしては、共振が発生するために、定常波が発生してしまう点です。
引用: https://tblg.k-img.com/restaurant/images/Rvw/38158/38158753.jpg
いかがでしたでしょうか?スピーカーは、フレミングの左手の法則を用いられており、非常に分かりやすい構造になっています。スピーカーにも、さまざまな種類があり、それぞれに、メリット、デメリットがあります。自分の好みに合わせて音楽を楽しんでください。
サムネイル画像は下記より引用しました。
出典: http://gadgetm.jp/file/parts/I0000199/48fe80c22bf7de590684adffbf05d60d.png