オーディオデザインのスピーカーについて知っておくべきこと

スピーカーは、私たちの聴覚体験に不可欠なコンポーネントで、電気信号を私たちが知覚できる活気のある音に変換します。スピーカーがどのように動作し、音の生産に影響を与えるかの複雑さを把握するには、その根底にあるメカニズムと主要なコンポーネントを掘り下げることが不可欠です。このブログ記事では、オーディオ設計におけるスピーカーの活用について、基本的な操作、主な仕様、設計上の考慮事項、コーンタイプとマグネットのタイプなど、包括的な概要を説明します。

スピーカーはどのように機能しますか？

スピーカーの音の生成には、電磁気と機械的な動きの正確な相互作用があります。まず電気信号から始まり、聴きたい音声の表現として機能します。この信号は、スマートフォン、ノートパソコン、または電気インパルスを発生させることができる任意の他のオーディオデバイスなどの様々なソースから発生させることができます。それがお気に入りの曲のメロディー、ポッドキャストの斬新な対話、映画の没入型効果のどれであっても、信号はスピーカーが生み出す聴覚体験の電気的表現と言えます。

スピーカー内では、主要なコンポーネントが動作します。コアとなるコンポーネントはボイスコイルと永久磁石です。ワイヤー製のボイスコイルは、フレキシブルコーンまたはダイアフラムに接続されています。このボイスコイルは、頑丈な永久磁石を囲み、音を生産するための土台を築きます。電気信号がスピーカーのワイヤーを流れると、ボイスコイルに通電し、電磁気によって制御される一連の動作を開始します。この電気エネルギーは、変化する電気信号を極性がミラーリングして、コイルの周囲に磁場を生成します。

スピーカー操作の本質は、これらの磁場間の相互作用にあります。電場が変動すると、交互に反発して引き寄せ、ボイスコイルとそれに取り付けられたコーンを高速振動運動に推進します。振動運動は周囲の空気分子と相互作用し、円錐の動きと同期して振動します。

これらの振動する空気分子は、空気中を伝播する圧力波を生成し、最終的に音として耳に到達します。私たちの脳は、これらの圧力波を聴覚信号として解釈し、音の知覚のプロセスを完了します。

スピーカーの解剖構造を深く掘り下げると、音を出すために調和して機能する、次のようないくつかの重要なコンポーネントが明らかになります：コーン、ボイスコイル、プレート、マグネット、フレーム&ヨーク、プリント基板（PCB）。ここでは、スピーカーの構造を強調し、一般的なスピーカーの個々のコンポーネントを分解した図が示されています。

この図は、すべてのコンポーネントがアセンブリされた後の一般的なスピーカーの構造を示しています。

スピーカーの主な仕様

スピーカーの動作と構造についての基本は既にお話ししました。次に、設計でスピーカーを選択するときに留意すべきいくつかの主な仕様と性能基準を見てみましょう。

• 音圧レベル（dB）: 音圧レベル（SPL）は、空気中の音波の強度、または音の大きさを測定します。SPLは、音源からの距離や環境条件などの要因の影響を受けます。慣例により、デシベル（dB）は、私たちのブログ記事、SPLとdBの基本に詳述されているように、SPLを測定するために使用されます。SPLは、産業環境から住宅地まで、さまざまな環境で騒音レベルを評価するための必須パラメータでもあり、騒音制御や規制に有益な情報を提供します。
• 最大入力（W）： スピーカーに永久的な損傷を与えることなく、非常に短時間で使用できる最大電力。
• 公称入力（W）： 公称入力ワット数は、長期間の使用時にスピーカーが安全に処理できる電力量です。
• インピーダンス（オーム）： インピーダンスは、増幅器からの電流の流れに対する抵抗の量です。インピーダンスが低いほど、スピーカーの消費電力は大きくなります。最適な性能を確保し、機器への潜在的な損傷を防ぐために、スピーカーのインピーダンスをアンプと互換性のあるものに合わせることが重要です。また、インピーダンスのマッチングは、効率的な電力伝送を実現し、オーディオ再生の忠実度を維持するのに役立ちます。
• 共鳴周波数（Hz）： これは、スピーカーが最も効率的に振動する周波数です。共鳴周波数の仕様は、異なるスピーカーの低周波数応答をほぼ比較する手段を提供します。オーディオ設計における共振と共鳴周波数に関するブログでは、このテーマについてさらに詳しく説明します。
• サイズ（mm）： 周波数範囲はスピーカーのサイズによって決まります。小型のスピーカーはより高い周波数で最適に動作し、大型のスピーカーはより低い周波数範囲でより最適に動作します。低周波は深低音に、中音域は音声再生に使用されます。
• トータルQ： このTheile-Small値は、理想的なエンクロージャタイプを決定するための幅広い基準として機能します。トータルQ値が0.4以下の場合は、スピーカーが通気口付きエンクロージャに最適であることを示します。トータルQが0.4～の間にある場合は0.7、密閉エンクロージャを推奨します。トータルQ0.7以上は、スピーカーがフリーエア、セミオープンバック、または無限バッフルのセットアップに適していることを示します。ただし、これらのガイドラインには例外があり、関連するすべてのパラメータを評価することが重要です。

スピーカーのサイズと形状に関する考慮事項

一般に、表面積が大きいスピーカーは、同じ駆動信号に対してより高い音レベルを生成し、低周波数応答も改善します。小型スピーカーの性能は、DSPの歪み防止を使用して大幅に向上できます。この技術は、携帯電話やラップトップコンピュータの設計に組み込まれることがよくあります。スピーカー背面を取り囲むエンクロージャーの設計により、少量のパフォーマンス向上を実現できます。詳細については、スピーカーエンクロージャーのブログ記事をお読みください。

スピーカーコーンの形状は、利用可能な設置スペースによって決定されることが多くあります。楕円形のスピーカーコーンは、大きなスピーカーコーンの表面積を非正方形のスペースにフィットさせることができます。スピーカーの周波数応答グラフを調べて、スピーカーのサイズまたは形状がスピーカーの望ましい性能に悪影響を及ぼしているかどうかを判断します。

スピーカーの取り付けに関する考慮事項

接続構成については、リード線、スルーホール、はんだパッドなど、用途に応じてさまざまなオプションでスピーカーを使用できます。Our blog post, Speaker Mounting Guidelines and Best Practices, goes into greater detail on speaker mounting.

環境およびアプリケーションに関する考慮事項

スピーカーには、過酷な環境条件で見られる湿気や汚染物質を扱う設計向けに、さまざまな侵入保護（IP）等級が付属しています。Same Skyは、医療アラームシステムで使用するIEC 60601-1-8規制基準を満たすよう設計された医療グレードのスピーカーも提供しています。詳細については、当社のブログ記事IEC 60601-1-8と医療アラームシステムについてのガイドをご覧ください。

主なスピーカー測定とテスト

上記の主要な仕様を使用してスピーカーを選択すると、スピーカーが設計に適切に統合され、仕様通りに動作するように、いくつかの追加のスピーカー測定とテストを実行できます。Same Skyのオーディオ設計サービスは、エンジニアがこれらの主要な測定とテストを以下に示すのを支援するために利用できます。

• 周波数応答チャート： 音声コンポーネントが音声範囲をどの程度うまく再現しているかを視覚的に表現します。
• ステップ周波数スイープ： これは周波数応答に似ていますが、より包括的な周波数応答のためにエイリアス周波数を特にターゲットにしています。
• レベルとゲイン： レベルは、デバイスがどれだけのエネルギーを出力できるかを決定する上で重要です。ゲインは、デバイスの出力レベルをデバイスの入力レベルで割った測定値です。
• 全高調波歪み＋ノイズ（THD+N）： 高調波歪みは、オーディオ信号に不要な新しいトーンを加えることです。THD+Nは便利でパフォーマンスの単一の数字マークを示し、広く理解され、受け入れられています。
• 位相： 位相測定値は、基準波形から測定された周期波形のサイクルにおける正または負の時間オフセットを記述するために使用されます。最も一般的な測定値は、デバイス入出力フェーズとチャネル間フェーズの2つです（システム内の複数のスピーカーの場合）。
• 摩擦とブザー音： 低周波刺激に反応して生成される高周波高調波製品の存在を検出できるスピーカーテスト。
• Thiele-Small: テスト中のラウドスピーカーの複雑なインピーダンスをキャプチャし、ラウドスピーカードライバーの低周波数性能を定義する計算された電気機械パラメータを提供する一連の値。トータルQなどのThiele-Smallの結果は、ラウドスピーカーとエンクロージャ間の相互作用を正確に記述し、ラウドスピーカーのシステム設計と生産テストの両方に不可欠です。
• インピーダンス： スピーカーのインピーダンスは、アンプからのオーディオなどの交流（AC）信号の流れに対してスピーカーが提示する反対の測定値です。これはオームで測定され、スピーカーが電気信号に対してどの程度の抵抗を提供するかを示します。

周波数応答曲線

スピーカーの場合、「応答」という単語は、入力周波数を再作成するスピーカーの能力を表します。このデータがプロットされると、スピーカーによって生成された周波数を超える振幅の視覚的表現を提供する周波数応答グラフを形成します。縦軸はデシベル（dB）で、横軸は周波数（Hz）で示されます。完璧なスピーカーは、減衰やゲインなしですべての周波数を再現します。しかし、完璧なスピーカーなどありません。周波数応答曲線は、スピーカーが入力周波数の範囲にどのように応答するかを表す一連のデータポイントです。オーディオ周波数範囲と共鳴周波数に関する2つのブログ記事では、周波数応答チャートについて詳しく説明します。

スピーカーコーンの材料

スピーカーコーンに使用される材料のタイプは、特に音質に影響します。数字やデータだけに頼るのではなく、傾聴や実験によってこれを評価する方が正確です。一般的なコーン材料の耐久性も考慮する必要があります。一般的に、プラスチックが最も耐久性が高く、次に紙と布、次に発泡剤が続きます。ただし、実際のスピーカーの寿命は、湿度、環境、アプリケーションの詳細などの要因によって異なります。ここでは、最も一般的なコーン材料の概要を説明します。

プラスチックコーン

プラスチックで作られたスピーカーコーンは、耐久性と粉塵や水などの環境要因に対する耐性で人気があります。また、正確な公差で簡単に製造でき、歪みの低減と音質の点でより優れた性能をもたらします。プラスチックダイアフラムは、機械的エネルギーを急速に吸収・放散し、従来の紙コーンに似た良好な減衰特性を示します。

プラスチックと呼ばれることが多いですが、これらの材料は様々な複合材料を包含します。コストは、厚さ、プレス技術、サイズ、温度抵抗などの要因によって異なります。

コーン紙とクロスコーン

コーン紙は、優れた音と自己減衰で知られていますが、湿度のダメージを受ける可能性があります。コットンやウールなどの添加剤を配合したさまざまな木質繊維で作られており、特定の音特性を再現しています。このブレンドは強度を高め、弱みを補い、多様な音を生み出します。これらはその軽量さのため、主により大きなスピーカーで使用されています。

フォームコーン

フォームは、ダイヤフラムの唯一の材料としてほとんど利用されず、通常は金属、プラスチック、紙などの他の材料と混合されます。コンポジット・ダイアフラムでは、フォームが中間層に組み込まれています。その主な機能は、スピーカーにとって重要な物理的特性である内部損失を高めることです。

高い内部損失は、原材料の固有の音特性を最小限に抑えるのに役立ちます。例えば、金属のダイアフラムは内部損失が低く、金属音を発生する傾向があります。逆に、コーン紙は内部損失が高く、原材料のタンブルの影響を最小限に抑えたより自然な音になります。

スピーカー磁石のタイプ

スピーカーの全体的な構造と性能のもう1つの重要な要素は、磁石タイプです。以下は、今日スピーカーで使用される最も一般的な磁石タイプで、それぞれの主な利点、用途、トレードオフがリストされています。

フェライト磁石

セラミック磁石とも呼ばれるフェライト磁石は、磁気強度を良好に維持する低コスト磁石です。重く、携帯性が必要なアプリケーションには一般的には使用されません。フェライト磁石を組み込んだスピーカーは、最大処理能力の近くで運転すると音がよくなる傾向があります。フェライト磁石は、自然に耐食性があるため、湿気にさらされる用途にも適しています。

AlNiCo磁石

AlNiCo磁石はスピーカーで最初に使用された磁石で、滑らかなクラシックトーンを与えるのに役立ちました。AlNiCo磁石を組み込んだスピーカーは、フェライトベースのスピーカーよりも高価なオプションになりますが、ひび割れを起こしにくいことが特徴です。これらの磁石は、今日のネオジム磁石よりも明らかに一般的ではありませんが、精密な調整が重要なハイエンドアプリケーションでの使用が依然として見出されています。

ネオジム（NdFeB）磁石

希土類磁石としても知られるネオジム磁石は、既知の永久磁石の中で最高の電界強度を提供します。NdFeB磁石で作られたスピーカーは、良好な周波数応答を提供し、軽量であり、フェライトまたはAlNiCo磁石を組み込んだスピーカーよりもはるかに小さくなります。これにより、高SPLの出力が必要な小型スピーカーに最適な磁石となります。ネオジム磁石の主な欠点は、それらが粉砕されやすいことにあります。

サマリウム・コバルト磁石

サマリウム磁石は、コストが高いため、他の磁石タイプよりも一般的には使用されません。その主な利点は、極端な温度変化に直面したときの耐食性と安定した出力で、過酷な環境条件に最適です。これらは粉砕されやすく、ネオジム磁石ほどは強くありません。しかし、コストは依然として最大のマイナス面です。

結論

スピーカーの仕組みを理解することで、エンジニアは没入型の聴覚体験を作り出すことができます。このブログ記事でお見せしたように、適切なスピーカーの選択に使用できるコンポーネントや仕様がたくさんあります。ただし、主要なスピーカーパラメータをより深く理解している場合でも、最終設計で選択したスピーカーの適切なテストと測定を完全に置き換えることはできません。ありがたいことに、Same Skyのミニチュアスピーカー、標準スピーカー、オーディオデザインサービスがここにすべて揃っています。