スピーカーって?編_イヤモニのイヤーピース探し旅-4/6

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連載第4弾。
今回は「そもそもスピーカーって?」がテーマ。
、、本題の IEM のイヤーピースにそろそろ辿り着くような、ないような… m(_ _)m
にわか勉強のメモ書きなんで、解らないことはワカラナイって調子になるのをご容赦くだされ。
と、数式での説明が不要な範囲でまとめますね。
当連載の前回3回目は↓

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ってかそもそもスピーカーってナンゾ?

引き続きスピーカーの話ですが、イヤフォンを理解する上で欠かせない知識ってことで。
理解しきっててないとこも多いのでメモ書き程度に。
その点よくお解りの方からコメント欄に御解説いただけると助かります。

先ずスピーカーとは…
 ・発音源たるスピーカーユニット。磁石・コイル・振動板から成る。
 ・それを設置するエンクロージャ(キャビネット、箱)、
…から成るスピーカーシステムを平たくはスピーカーと称します。

英語では loudspeaker。Speaker だけだと「話す人」。

古典的スピーカーユニット(つまり古典的でないのも幾つもあるってこと)の原理。
磁石の周りに浮くように置かれたコイル(巻き電線)に、
音波を電気的波動に変えた信号を通すと物理的運動(本来の音が生まれた時の物体の振動と同様の)に戻る。

その動きが、コイルにつながれた振動板(コーンと呼ばれる紙や合成樹脂素材の平べったくて丸い奴。高音域用には小さく出っぱったドーム型や細長い金属板のリボン式なども)に伝わり、その面積ゆえ周囲の空気に効率よく「振動を音として」伝える。

エンクロージャってのは…

エンクロージャは基本的には位相の衝突を避けるものです。
ユニットは表裏とも振動を空気に伝えます。
その表裏で、波動エネルギーは同じですが「逆向き」です。
それらがもし(なかなか無いが)同時に耳に届くと打ち消しあって聞こえなくなります。
それが位相の衝突です。

それを避けるためのものがエンクロージャです。
裏側の波動エネルギーを耳に届けにくくする工夫ってこと。

最もシンプルなのは「板1枚」のダイポール型。
ユニット背面には空気層以外の抑制は無いので振動板はノビノビと動けます。
対して箱型のは、少なくない背面抑制がユニットの挙動に多かれ少なかれ影響します。

低音を空気に満足に伝えるって大変だったようで

人の耳は低音域には鈍感にできてるようで。
中高音域と「同じ音圧」を感じさせるには、物理的にはより大きなエネルギーが必要みたいです。

昔は低い音を満足に聴かせようとしたら振動板の直径を大きくするものでした。
ところが前世紀末辺りからオーディオ用スピーカーはどんどん小さくなってます。
スーパーウーファーを追加して低音増強を図る場合もありますが、近くで聴くかぎり不満を感じる程度ではありません。

むしろ EDM など最近の低音ブンブン音源だと、現代の小さなスピーカーでこそ明瞭かつ満足な低音を愉しめます。
昔とはナニがドウ変わって、小さいスピーカーでも低音充分となってきたのでしょうか…?

昔の小型トランジスタラジオでもベースの音は聞こえますが、それは実際には鳴っておらず、楽器音に含まれる倍音群の作る差音という錯覚が聞こえさせてる、と説明されてきました。

ですがイヤフォンは振動板が小さいのに低音がちゃんと聞こえます。

スピーカでは低い周波数の振動が実はちゃんと起こってても、周辺空気を共鳴させる効率を相当あげないと聞こえるほどには空気を動かせない、でも振動板と耳の距離が近ければ聞こえる。
イヤフォンなら振動板のすぐそばに耳があるから低音も聞こえる、ってことみたい。
マイクで言うとこの「近接効果」に似たことみたい。

とは別に
「閉ざされた空間で鳴ると低音域は大きく届きやすい」
って物理現象もあるみたいです。
つまりイヤピースがぴったりフィットしてるとその効果が起こるわけですね。

で、
古典的スピーカーでは低域を空気に伝える効率を上げるために大きな振動板を選んだわけです、ね(ってことで正解なのかな?)。
※ ↑の点、のちに勉強して色々理解したんで、そのうち詳しく明解しようかと…

昔々、低音を充分に出すための苦労…軽さ・堅さ・振動吸収性・弾性…

歴史を辿ってみます。
真空管の時代はアンプが非力でした。
スピーカユニットには高能率が求められました。
小さな電圧変化もタップリと音に変える性能を。

人の耳は特に低い音には中高音よりも鈍感なようで。
アンプからは低い音ほどエネルギーとしては大きめに出してやるわけ。

それをスピーカユニットで受け止めるにはストローク
(磁石の周りに浮いてる電磁コイルの移動可能距離)の長さが不可欠。
その実現がなかなか難しかったようで。

中音域なら「おっきい!」って感じる音を出せても、
同じような「おっきい!」を感じさせる低音を出そうとすると、
ストローク長的に無理ならば歪んでしまったわけですね。

というか、アンプが非力だったからそこまで行く以前に、単に低音がどうも足りないってことだったかもしれません(実態を要取材)。

以下、主に振動板(コーン紙)を観点に進めます…

さて、
振動板は軽くて堅いほどエネルギー損失は少ない=能率が上がるし、歪みも少ない。

直径を大きくしても能率は上がるが、歪み(本来の電気信号の形とは違った音出力が発生すること)も大きくなりやすい。
そのとき歪み量と応答特性は反比例します。

で、
直径を上げれば低音域をより出せる、ってのは、
単に音圧を稼げるからなのか、
長い波長を空気に伝えるのは大径じゃないと無理だった、のか…
そこが筆者にはよく判ってないとこです。
(求む、よく解ってる人からのコメント)

ともあれ、
軽いと堅いを両立するのは難しい。
厚くすれば堅くなるが重くなる。
重いと動かすのにパワーが要る。
軽くても堅さが足りないと歪みは大きくなる。

それに、
応答特性については「すぐ動き出す」と「すぐ止まる」の両立を巧くできる素材を見つけるのが難しい。
堅けりゃいいかっていうと「すぐ動く」のはイイとしても「すぐ止まる」が実現しにくくなる。
素材の「内部損失の割合=振動の吸収しやすさ」「弾性」が丁度いいのを見つけねば、なようです。

※ 内部損失を説明してるページ
「高橋敦の“オーディオ金属”大全 - 音と密接に関わる「金属」を知る_PHILE WEB」
https://www.phileweb.com/review/article/201508/28/1771_3.html
「スピーカ振動板材料 byフォスター電機の石井さん」
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jasj/66/12/66_KJ00006772688/_pdf


紙やウレタン系だと適度に両立してたが(マグネシウムやらグラスファイバーやら様々なトライは続いてる)、やはり高音域を歪みなく再生できるほどの堅さは無い。

そこで、より堅いチタン・アルミ…を小さく使って高域専用(ツィーター)にし中低域用ユニットと併用する 2wayシステムや、低域用と素材は同じだが口径の小さい中域用(スコーカー)も足す 3wayシステムなどが発展しました。

近年では両立できる素材開発も進んでるようで、
高能率&高応答特性かつ、シングルユニットでも全音域を過不足なく取り出せる素材も出てきてるようです。
たとえば…

三菱電機 カーボンナノチューブ NCVスピーカー
https://www.mitsubishielectric.co.jp/home/ctv/diatone/premium/ncv/index.html

カーボンナノチューブを振動板に使ったダイナミック型イヤホンも出てるようです。

ともあれ、
昔、充分な低音を出すのにスピーカユニット作りで払われた努力は…
 ・直径拡大
 ・↑しつつも歪みを小さく押さえる
…だったようです。

ちなみに、
「駆動部のパワーアップ」
もストローク長の確保など音圧アップに貢献するはずですが…
・磁石の磁力を強める
・コイルの巻数を上げて磁力アップ
などしても、
・重量
・直流抵抗(レジスタンス)
・交流抵抗(インピーダンス)の上昇
…それら能率にとってのマイナス要因も引き起こし、なかなか一筋縄には行かないようですね。

さて、
それでも足りない低音を補う工夫が、
「バックロードホーン型」
というエンクロージャ(スピーカシステムの筐体)形式。

バックロードホーン型

非力だった真空管アンプ時代に流行ったエンクロージャ形式。

スピーカユニットの背面から出る音波エネルギーを箱の中の迷路のようなトンネルを通してメガホンのように大きくして表側に出す方式。
蓄音機のラッパと同じく音圧を稼ぐ仕組み。
長いトンネルを経るうち中高域を減衰させる工夫もしてるようで中低域のみが巧く増強されてたようです。

ユニット背面への気圧抑制は小さいので、ユニットはノビノビと振動でき性能を充分に発揮できたようです。

低音域の遅れは必ず生まれます。
そのタイミングと周波数によっては位相の衝突が起きます。
それは低音域でこそ起きやすい。
そこが欠点。

ですがその欠点を補って余りある当時の偉大な発見は、
「小さなスピーカユニットでも実は低音域は発音できてて、取り出し方次第で活かせる」
ってことでしょう。

小さなユニットを使い、とても長くて拡大率も大きいバックロードを通して低音域を聞かせる。
オーディオ評論家の長岡鉄男さん発明のスーパースワン(最終形は90年代初頭)なんてのが一世を風靡しました。

もう1つ大切な発見は、
「ユニット直径が小さいほど定位(ステレオ左右のドコでその楽器が鳴っているか)を掴みやすい」
です。

スワンは小さなユニットなのにタップリな低音で、定位感は素晴らしかったそうです。

Wikipedia _ バックロードホーン型
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%83%83%E3%82%AF%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%89%E3%83%9B%E3%83%BC%E3%83%B3%E5%9E%8B

Wikipedia _ 長岡鉄男
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%95%B7%E5%B2%A1%E9%89%84%E7%94%B7

密閉型・大型エンクロージャ時代・低能率でも高音質

アンプが半導体式になりパワーアップすると、
「密閉型」のエンクロージャが主流になりました。

エンクロージャを隙間なく閉じて、中に吸音材をタップリ詰めることでユニット背面から出る音を閉じ込める。それで位相の衝突を避ける。

システムの個性は
・ユニット自体の性能
・エンクロージャの素材&形状による共鳴
・表面仕上げによる周辺空気層の共鳴仕方次第
(箱の外周を「よく磨く」だけで音質は変わるそうで)
…などが要素。

背面が閉じてるのでユニットの運動は抑制され、ユニット本来の性能をノビノビ発揮するとは言いがたい。
とはいえ制動力の助けにはなるので、タイトでクリア、つまり解像度の高さは上がったはず。

つまり「能率」は下がりますが、充分に大きなエンクロージャ(ユニット背圧はさほど上がらない)が主流だった時代、高度経済成長時代のイキオイはそれをモノトモセズだったようで。

小型化・バスレフ型とイヤフォンでの応用

やがて小型スピーカシステムが望まれる時代になりました。
低音が不満ない小型スピーカシステムとして「バスレフ型」が主流になりました。
Bass reflex 式の略称。

テンモニ(小型密閉型)は時代の狭間で生まれた珍品なわけですね。

バスレフ型は、エンクロージャのどこかに穴を開けて筒を刺し、低音を吐き出させる方式。
穴の大きさや位置によって様々な結果に、つまり各社工夫のしどころ。

位相の衝突はバックロードホーン型同様に起こりやすいわけで、その押さえ込みに設計では腐心してるわけですね。

(バスレフの穴を正面側に作ると位相を反転できて衝突を避けられるって説があるけど、筆者には理解が及んでません)

Wikipedia _ バスレフ型
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%82%B9%E3%83%AC%E3%83%95%E5%9E%8B

低音を吐き出す理屈(ヘルムホルツ共鳴)の説明も面白い
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%98%E3%83%AB%E3%83%A0%E3%83%9B%E3%83%AB%E3%83%84%E5%85%B1%E9%B3%B4%E5%99%A8


イヤフォンに於いて、バスレフ型の理屈はバランストアーマチュア型のドライバ(発音体部品)作りに活かされ、特に低音域を担当するものに応用されてます。

ダイナミック型ドライバのイヤフォンでは、
・耳へ向けての音の通路が、スピーカーでのバッフル穴と同じく機能する、のか?
・閉じた空間を経て耳に届く場合低音が増強される、
…いずれで説明するべきかよく解ってませんが、そのままでは耳に低音が溢れかえります。
それを避ける為、シェルのどこかに「抜き穴」を空けます。
空間を閉じない or バスレフ穴を耳と反対側に空ける、
といったことなのかと。

実はその「空気穴」が MDR-EX800ST をステージイヤモニとしては使えなくしてる一因でした。その点はそのうち詳しく書きますね。

高能率と低能率の選択時代、インピーダンスと能率

_ ストローク長 _
スピーカユニット自体の性能向上もバスレフ型の発展に貢献してるみたい。
先述の「ストローク」を昔より大きく取れるようになったようです。
ダイナミックレンジ(小音量~大音量の差)を歪みなく再現しやすくなった。
ストロークが小さかった頃は、大音量を入力すると歪みが大きくなってたわけで。
特に大ストロークの必要な低音域ほど改善されたそうです。

それ以前でも大径ユニットならストロークの実長は長かったわけですが、
小径ユニットでも大きく動かせるようになった、ってことなようで。

_ インピーダンスと耐入力、ヘッドフォンアンプ _
今まで触れなかった「インピーダンス_交流抵抗」。
ユニットのコイルはアンプからの音声信号つまり交流電流に対して抵抗として働きます。
その抵抗を大きさを「Ω _オーム」を単位に表します。
詳しく言うなら
「交流回路における電流の流れにくさを電圧と電流の比で数値化したもの」で、
直流回路に於ける抵抗(レジスタンス)と同様な捉え方をできるようにしたもの、だそうで。

※解りやすそうな説明文↓
https://analogista.jp/impedance/

昔の家庭用スピーカーの多くは8Ω〜10数Ωでした。
(屋外用とか建物埋込用とかでは耐久性などの為に馬鹿でかい抵抗値と大電圧のもありますが)

最近の小型スピーカーには6Ωとか4Ωのものが多く見受けられます。
簡単に言うと、同じアンプに8Ωと4Ωのスピーカーを繋げて比べると、
4Ωのほうが大きい音が出ます。つまり能率がより高い。
抵抗値が低いから電流がより流れやすいってこと。

コンパクトなオーディオシステムが流行った時代に、コストダウンも兼ねて広まったってことでしょう。

注意すべし。
アンプ(出力)側にも「適合インピーダンス範囲」ってのがあります。
取説に「○Ω〜○Ω」って感じに書かれてます。
スピーカー(入力)側のインピーダンスはその範疇以上が望まれます。

スピーカーのインピーダンスがアンプ側の想定より低すぎると、
音が歪んだり、アンプ想定以上の大電流が負担でアンプ破損に繋がります。

アンプ想定よりもインピの高すぎるスピーカーを繋げると、単純に低能率→ヴォリュームを高めにして使うことになります。
クルマのエンジンぶん回しと同じく、ヴォリュームを上げるからこそ聴ける独特な音色はあるかもしれません。

が、アンプにとってはそれも負担が高いとは言えるでしょうし、ノイズも増えるはずです。
大容量のアンプで小さめなヴォリューム、な方がノイズも歪みも少ないはず。
とはいえ、ヴォリューム下げすぎると実力を発揮できないアンプもあるわけで、、難しいもんですね (^_^;

なお、インピーダンスは再生周波数によって変化します。
ざっくり言ってよくある傾向としては、可聴帯域の最低域辺りに少し抵抗値の上がる帯域があり、可聴帯域上限から上はブワッと抵抗値があがります。

つまり、アンプのパワーが足りないとそこら辺の帯域に限ってスピーカーを充分にはドライブできない可能性があります。結果的に全体の音色は変わり、音域によっては音圧が下がったりするわけですね。

再生周波数によるインピ変化は、取説からはなかなか読み取れないものなので、インピーダンスのマッチングを図るには「ゆとり」をもって選ぶのが良いのでしょう。
その点について詳しくは「ロー出しハイ受け」って言葉でググると色々出てきます。

よく言われる「ハイインピーダンス→高音質」
それがどういうことなのか、↓のページ、とても解りやすい説明です。
https://audio-seion.com/headphone-impeadance/


スピーカーの耐入力(W_ワットで示される)も、アンプの出力(W、スピーカー側のインピーダンスで変化する。おおよそは取説に書かれてる)が超えないような組み合わせが望まれます。
超える組み合わせでフルヴォリュームで鳴らすとスピーカーを壊しかねません。
特にツィーターは意外と簡単に飛ぶものらしいです。

それらの組み合わせ次第で音は微妙に変わります。
どれが正解ってことは無いので、色々試して好みの組み合わせを選べれば幸せなのでしょう。

ちなみに、ヘッドフォンやイヤフォンのインピーダンスは、スピーカーよりもずっと大きいです。
20数Ωは当たり前で 300Ωを超えるものも見かけます。
再生機側の想定インピーダンスを超えるのはよくあること。
結果として上述のように再生しづらい帯域が生じます。
iPhoneに MDR-CD900ST(64Ω)を直接つなぐとシャカシャカした音になるのもそれでしょう。
せっかくのハイレゾ(可聴帯域以上を含んだ)音源もその良さを活かせないはず。

簡単に言えば、ハイインピなヘッドフォンの低音域を鳴らすのに充分なパワーが無いとシャカシャカするわけですね。

そういったハイインピーダンスなヘッドフォン・イヤフォンの性能を活かすためにヘッドフォンアンプがあります。
安めのオーディオ製品だとスピーカーに出す出力信号を「そのまま」イヤフォンジャックに繋ぎ替えてるだけなのでヘッドフォンアンプを挟むと格段に佳い音となるはず。
高めなアンプやオーディオインターフェイスならヘッドフォン用に別の回路を設けてるのでその心配は無いでしょう。

_ 重く堅い振動板 _
アンプのパワーアップを受けて振動板は厚く堅く重くてもイイヤってなったみたい。
つまり能率は下がったわけ。
それと引き換えに振動板の変形は少なくなったから歪みにくくもなった。
ただし非力なアンプだとヴォリュームを高めにしなきゃなのでノイズは大きくなります。

逆に、
「中高域の能率を落として、低域をしっかり鳴らせるパワーを突っ込めば、全帯域を通してよりフラットに近づく」
そんな仕組とも言えるようです。

ともあれその改良のおかげで、
先述のストローク長の改良と相まって、
小径ユニットでも低音域を歪み少なくタップリ鳴らせるようになったそうです。

とはいえアンプにはパワーが求められるので、やはり良いバランスの選択は重要でしょう。

前回紹介したカーボンナノチューブのように振動板素材の開発で、
・軽い&堅い
・すぐ動く&無駄な余韻を残さない(堅さと適度な内部損失)
…の両立がより進めば、また状況は変わっていくでしょう。
※ 参考
https://www.mitsubishielectric.co.jp/home/ctv/diatone/premium/ncv/index.html

あ、生産終了…(泣
https://www.mee.co.jp/sales/acoustics/diatone/
https://community.phileweb.com/mypage/entry/5057/20210610/67801/

そんなこんなで、
それら改善が相まって、バスレフ型エンクロージャと組み合わせる限り、
充分な低音域を小さなユニットでも出せるようになったわけですね。

小口径だと定位感も向上します。
というわけで最近のモニターは小型バスレフが主流なのですね。

タイムドメイン式 etc.

さらに極小さなスピーカーユニットでも低音を聞かせる仕組みも作られました。
バスレフ型とは違う不思議な仕組み。

概念は→ https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BF%E3%82%A4%E3%83%A0%E3%83%89%E3%83%A1%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%BB%E3%82%B9%E3%83%94%E3%83%BC%E3%82%AB%E3%83%BC

タイムドメイン社 http://www.timedomain.co.jp/ の発明品で、製品としてはデンソーテン社のイクリプス https://www.eclipse-td.com/ が著名。

古典的スピーカーシステムの「面型」に対して「点型」などとも呼ばれます。
ちなみに、先述のスーパースワンも点型を自称してるようです。

古典的ユニットはコイルと磁石ありきですが、それとは全く違った発音方式もいくつか登場しています。
本稿テーマからはだいぶ逸脱しますが、調べてみるとなかなか面白いもんですよ。

Wikipedia _ スピーカー
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%94%E3%83%BC%E3%82%AB%E3%83%BC

次回は…

ようやくイヤフォンの話に戻りそう、、です(^_^;

🌸
DIATONE の NCV素材スピーカー、家庭オーディオ用のは2017年に廃版で今はカーオーディオ用だけみたい(>_<)

タイムドメインの原点的な…↓

これはカッコいいけど勇気いるなぁ〜…↓

3rd party のコレなら気楽に試せるかも…↓

イクリプス、カッコよさと値段のバランスはイイかも…↓

この値段にしてこの完成度、オススメ! あ、リスニング用ですけどね

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