オーディオスピーカーの高校物理学的考察について

質問

現在スピーカーについて色々再勉強しています。
　確か高校物理学で「波の回折現象」とかを学習した霧がかった遠い遠いかすかな記憶があります。(^_^;)
　ほんの1点の波源？波元？を中心に障害物を屈折しながら360度全方向に回折していくような現象だったかと思います。正しいのか分かりませんが、この考え方を前提にしていくつか質問させてください。

質問1
　とすると、現実的な自然界（媒質？）などは抜きにしてのタラレバ質問ですが、理論上では機械の技術革新が向上すれば大音量高音質で1ｃｍ位とか、それ以下のワイドレンジスピーカーもありえることになりますか？

質問2
以前は、高級ＳＰ＝30ｃｍオーバーの大口径ウーファーのイメージなのですが、最近は20ｃｍクラスのハイエンドモデルもあるようですが、これは素材の向上も含め、総合的にウーファーのドライブ性能が良くなったためと考えるのでしょうか？

質問3
システムの新旧や同一環境でないのでなんともですが、普通生活環境下で、仮にスペックは同じ大型大口径ＳＰと小型小径ＳＰで同音量で試聴した場合に「音波」的には同一現象に思えますが、空気を揺さぶる点においては「大きいうちわ」と「小さいうちわ」のような違いがあるようにも思えますが、同一スペックであれば「仕事量」も同じなのでこれまた同一現象なのでしょうか？
　大口径ウーファーの方が「音場」が広いような気がするのですが気のせいでしょうか？

　欲張ってすみませんが、1つの質問のみ、関連ネタなどでも構いませんので新たな視点を求めての質問ですので、多様なご回答をお待ちしております。

回答No.7

John_Papa · ベストアンサー

No.3です。
お礼ありがとうございます。

難しく考えなくても、異なる周波数で出力音圧が同じならスピーカー振動版の単位時間（１秒間）での延べ運動距離が同じ、と考えれば良いです。
50Hzと5KHzなら、1秒間に50往復するのが50Hzで5000往復するのが5KHzということです。延べ移動距離が同じですので、50Hzの振幅距離は5KHzの100倍になる。という訳です。

高音程、繰り返しが多いだけ小さな振幅で大音量が出せることが理解しやすいでしょう。5KHzを1cmΦの振動版で出すのと同じ振幅で50Hzを同じ音量を出すには直径が100倍の振動版を使えば良いです。直径1mです。面積では10000倍ですね。
この大きさも大変です。

逆に、100分の1の距離に近づけば同じ音量を100分の1の振幅で出せますから、インナーイヤフォンなどは1cm足らずの振動版で充分な低音を出すことができています。

とまあ、ここまでは空気の弾性や粘性とか考えてないのですが、大口径・小口径の比較ではこの方面の要素を考慮する必要が出るでしょう。私は研究してないですので何も言えません。オーディオの専門書でも、そちら物理的な方ではなく、平面波と球面波で片付けようとしたりでお茶を濁してます。
音にとって最も困るのは渦の発生です。渦は元の信号に無い新たな音源になります。フルートやリコーダーは渦（カルマン渦）を音の源として筒に共鳴させて楽音となります。
スピーカーでこれが起きると当然歪み（濁り）という事になります。振動版よりバスレフポートで発生しやすいですけどね。空気の動きを見れば口径が小さく振幅は大きいですのでね。「大きいうちわ」と「小さいうちわ」の例えは的を得てますね。

お礼

再度の丁寧なご回答ありがとうございました。
連絡が遅くなりすみませんでした。
　たとえば、「歪み」ですが、詳しい人が傍にいて、これがそうだと教えてもらわないと「耳」の問題もあったり、システムや環境の影響もあったりと、文章だけでは理解するのはなかなか難しいですね。
　現在、皆様から寄せられたご回答を参考ニ勉強中です。またよろしくお願いします。

回答No.9

sirasak

再回答補足です。底面直径30ｃｍ、高さ30ｃｍの三角錐の頂点より1ｃｍで水平に切断して、頂点側を左側に倒します。真横からみると1ｃｍコーンＳＰと30ｃｍコーンＳＰとの相似関係のように見えます・・・・・・・
小さなイヤホンではまさにそのようなことが言えるのです。
振動板で作った音が損失なく鼓膜に伝わるので低音が楽々出るのです。
スピーカーの場合は1ｍ離れた半球面のどこかで聴く前提ですから、高音は鋭い指向性で低損失でも低音は6.28平方mにばら撒かれるので振動板振幅を低音ほど巨大にする必要があるのです。
ユニット口径が1ｃｍでは出せる低音音圧が微小なので振幅を巨大にしないと出来ません。
私は8cmスピーカー1リットル密閉型スピーカーで60Hz位までフラットなので満足して聴いているように実用的小音量でなら小口径で実現できますが、口径1ｃｍではイヤホンにしないと実用的音量が得られないと思います。

回答No.8

chiha2525_

あまり回析関係ないような・・ｗ

１）
実はスピーカーは低音との戦いだったと言われています。それほど低音が出せなかった（今でも出せていない）のです。物理現象的な低音ブーストから電気仕掛けの低音ブーストなど、いろいろとやってますが、根本的に出ないんですよね。手のひらサイズで２０Ｈｚ再生可能なスピーカー、出来たらノーベル賞ものです、きっと。

２）
いえ、デカいスピーカーを誰も買ってくれなくなっただけです。だって邪魔だもの。
スピーカーは家電製品ｗなので、買ってくれないものは作られなくなります。

３）
出力が同じならば（途中で損失が無ければ）入力も同じです。エネルギー保存則です。
現実にはいろいろ違います、同じに出来ないのです。

お礼

ご回答有難うございます。

＞あまり回析関係ないような・・ｗ
遠い昔の記憶なので・・　水面の横波（何Ｈｚに相当したのかは不明）が前方の障害物の板にあけられた狭い隙間を通過すると、出たところを中心に半円状に波が伝播していくような内容でした。
　そんなイメージから小口径ＳＰでも用をたしてしまうのかな？
未だ未消化なのですが、皆様の回答から小型故の低域再生の難しさ他が、感覚的にイメージできるようになりました（理解したとはとても言えませんが）。
　精進します。(^_^;)

回答No.6

tetsumyi

大音量は無理として、理論的には数センチで可能だと考えます。
ただし、この音源は現在のような前後に動くコイル駆動ではなく、半球型の音源が超軽量で電気的な信号によってマイクロミリ秒単位で１センチ以上の膨張、収縮をリニア特性良くできる素材を開発する必要があります。
こんな素材を開発できる可能性が無いとは言えないと思う。

お礼

ご回答有難うございます。
病院のエコー他医療器具とか洗浄器etcとか意外と他分野では研究開発がすすんでいる印象を受けます。最終的にはいかにして空気を揺らすかと言うことなのですね。

回答No.5

iBook 2001（@iBook-2001）

はじめまして♪

質問1
　とすると、現実的な自然界（媒質？）などは抜きにしてのタラレバ質問ですが、理論上では機械の技術革新が向上すれば大音量高音質で1ｃｍ位とか、それ以下のワイドレンジスピーカーもありえることになりますか？
理論的には可能です。実現は不可。
ゆっくりと空気を動かすという、低音域、周波数が低く成るほど、周囲へ逃げてしまう「効回折果」が強く成りますので、振動板面積が小さい分、振幅距離で動かす空気量を補わないと、マトモな音は得られません。
ヘッドホンやイヤホンなどは、狭い範囲だけの空気を動かせば良いから、小さなドライバーユニットで充分に低音考えられているので、耳から離すととたんに「シャカシャカ」とした低音感の無く成った音に鳴ってしまうのです。
10cmの円盤で前後2mm(合計4mm)の振幅だとすれば、およそ31ccの空気を動かしています、もし1cmの振動板で同じ空気量を動かそうとしますと、概算で前後20cm（合計40cm）ほどの振幅が必用に成ります。
20cmの振動板で前後2mmの振幅なら、125ccほどで、前後に80cm(合計１６０cm）ほど動けば良い計算。
（計算は、合って居たかなぁ？、、苦笑）
これだけの可動範囲で、入力信号に忠実な、リニアな動きが出来る振動メカニズムは、現在の基本構造では実現出来ませんし、奥行きが２m。３mともなれば、実用性も大きく問題になりそうなうえ、技術開発から生産において、どのくらいの価格に成りそうなのかを想像するまでもなく、「売れる物」では無いと思われます。

質問2
以前は、高級ＳＰ＝30ｃｍオーバーの大口径ウーファーのイメージなのですが、最近は20ｃｍクラスのハイエンドモデルもあるようですが、これは素材の向上も含め、総合的にウーファーのドライブ性能が良くなったためと考えるのでしょうか？

主に、振動板素材とか、サスペンション系の素材とう部分で、リニアに稼働出来る範囲を広げた、というスピーカー側の技術進歩は間違いなく存在します。しかし全体的には中高音域の音量を抑えて、低音感が充分に得られるようにしたため、アンプのパワーに頼っている。という側面があります。
この現実をどのように捉えるかで、「総合的にウーファーのドライブ性能が良くなった。」とも言えますし、「総合的にウーファーのドライブ性能は、なんら変わっていない。」とも言えます。

ただ、間違いない現実として、「大き過ぎない、コンパクトな物を求める人が多く成った」という時代変化から、造る側も「売れる物を造る」という流れに沿っている。というダケです。非常に数は減ってしまいましたが、大型すぴーかーも一部のメーカーは造り続けてますし、それらを好む一部のファンは消える事は無いのです。

質問3
システムの新旧や同一環境でないのでなんともですが、普通生活環境下で、仮にスペックは同じ大型大口径ＳＰと小型小径ＳＰで同音量で試聴した場合に「音波」的には同一現象に思えますが、空気を揺さぶる点においては「大きいうちわ」と「小さいうちわ」のような違いがあるようにも思えますが、同一スペックであれば「仕事量」も同じなのでこれまた同一現象なのでしょうか？
　大口径ウーファーの方が「音場」が広いような気がするのですが気のせいでしょうか？

はい、「気のせいです。」（笑）
本当は、大口径程、稼働振幅は狭くて済みますので、その点に大きなメリットが有ります、しかし周波数が高く成るに連れて振動板の分割振動等の弊害が出て来ますので、大口径にはデメリットも存在します。同様に小口径のメリット／デメリット　もちろん有るので、トータル的なサウンド調整、仕上げ方。という各製品ごとの違い。という捉え方の方が良いと思います。
広い部屋で、実物大に近い大音量を楽しむ場合は、やはり大口径スピーカーシステムの方が有利に成って来ますが、絶対的な優位性がある訳でもないのです。
むしろ、あまり広く無い一般的な室内で、あまり距離も離れず、その結果大音量も必用が少ないという場合は、２０cm口径くらいで充分に楽しめるというケースも多い。

「大きいうちわと、小さいうちわ」全くその通りです。面積が２倍も変われば、大きいうちわをゆっくり動かして、少し離れると心地よく感じます。小さい場合は速く動かすか、動かす距離を多くして、多少近い場合に良さが出て来ます。
うちわや扇子のばあいは、可動範囲を変えるよりも、近さと動かす速さで調整するのが一般的でしょう。

音の場合は、「速さ」を変えると周波数（音程）が変わるので、これは変える事が出来ませんネ。

スピーカーのスペックは、測定器で測れる部分だけで、「気のせい」と言いますか、聴こえ他をとをどのように感じとるか。という「感性」「官能」判断とは別物。という考え方も有ります。
スペックから、有る程度の事は予測出来ますが、それ以上の分野は「実際に聴いてみて、感じる」というのが重要だと思います。

大きいスピーカーでも、勘弁してほしい、、、って思える音の場合も有れば、小さいスピーカーでも同じ様な事も有る。

大小や価格、多くの人の評価等も、有る程度参考には成るのですが、実際に聴いて、自分の感性に合うか、官能的な音と感じたかどうか。そういう事から、個人のお気に入りスピーカーがそれぞれ違って来るのでしょう。

特に、「音像感」や「音場感」と云う部分は、ウーファーの違いも間違いなく重要では有りますが、トータルサウンドとしての聴かせ方、作り手側のチューニングとう影響の方が大きいのではないかと思います。（あくまで、個人的感想にすぎません。）

長文、駄文、おそらく多々ミスタイプ、どうかご容赦下さい。m(_,_)m

お礼

早速のご回答有難うございます。
頂いたご回答を何かしら読み解いた上でお礼をのべようとしますと、知識のない箇所でフリーズしてしまい結果返信が遅れてしまいます。
ヘッドホンのご説明は実体験上からもなるほどとイメージすることが出来ました。

＞音の場合は、「速さ」を変えると周波数（音程）が変わるので、これは変える事が出来ません

　この部分は理解できるのですが、関連して「波長の振幅」に変化をあたえるものはなんだっけ？でフリーズしております。(^_^;)　ｆ＝maのｆなのでしょうか？

回答No.4

i-q

＞質問3
＞同音量で試聴した場合に「音波」的には同一現象に思えますが、
同音量でも同一ではないんじゃないでしょうか。。
実際の音楽は絶えず音が変化するのでウーハーが大きいと、前の音が
混ざった少し歪な音波なんじゃないかなと最近思ってます。

メタルコーンである程度小さいほうが、キビキビ鳴ってくれる印象があります。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。
メタルコーンは甲高い音と良くみみにしますが、あれはコーンそのものが「共鳴？」しているからではないのでしょうか？
コーンそのものが自らの振動で高周波域の音をだしているのでは？
　質問しておきながらなんですが、ちょっとしたことで「高校生（三流）物理学」の領域を簡単に飛び出しちゃうことに気が付きました。回答者様宛お礼書くのに知恵熱がでそうです。(^_^;)

回答No.3

John_Papa

こんにちは。

申し訳ありません。
前回答
http://okwave.jp/qa/q9084501.html
に、物理的な基本問題を回答させていただきましたので、そちらをお読みください。
1cm程度の小口径スピーカーである程度の低音音圧を得ようとすると、振幅1ｍくらい必要になるかもしれませんね。現実的に作れません。

お礼

ご回答ありがとうございます。
例えば、50Ｈｚ波長の計算なのですが、
音速＝340ｍ/ｓなので340÷50＝6.8ｍ＝50Ｈｚの波長？となるのでしょうか？
　現行方式の振動版タイプで想定した場合、コーンが1秒間で50回のストローク運動で、そのストローク幅が問題になるわけですね？
　現職、かしこい高校生の方ならこのあたりも導き出せてしまうのでしょうけど、私はフリーズ状態です(^_^;)サインコサイン牛たんじぇんと・・
勉強してみたいと思います。

回答No.2

Yorkminster

1
文字通りタラレバなので、どの局面に限定するかでYESともNOとも言えます。単純に「音波が広がるかどうか」という観点であれば、YESといって良いです。回折現象そのものの問題だからです。周波数特性や歪み率、能率など「スピーカーとして実用に堪えるか」という観点では、現実的に無理でしょう。

2
主に3つの理由があります。1つは、振動系質量を増やして最低共振周波数を下げることで、実質的に低域限界を伸ばすことができます。また、振幅を増やすことで同等の体積の空気を扱っているとみなせます。もう1つは、高い周波数に対する能率を下げることで周波数特性を平坦化し、見かけ上の低域限界を伸ばせます。

いずれも、半導体アンプが普及し、スピーカー自体の機械的特性だけに頼らず、電磁制動によって挙動をコントロールできるようになったことと、パワーが必要なら出力を上げれば良くなったことに由来します。

3
気のせいではありませんが、大口径の方が良いという訳ではありません（妄信している人も少なくありませんが）。口径が大きくなると、スピーカー自身が発した音同士が干渉して指向性が生じやすくなります。従って、帯域を分割してより多くのドライバーを使う（3ウェイや4ウェイといった形に）必要が出てきます。そうすると、ドライバー同士の干渉が問題になるので、スピーカーとの距離が近いと視聴位置が限定されやすくなります。

すなわち、たとえば6畳や8畳程度の部屋であれば、一般論として比較的小型の2ウェイの方が適切といえます。他方、20畳や30畳といった広い部屋の場合、大型化のデメリットは少なく、むしろ小口径で振幅を増やすことによる歪みの増加の方が問題になり得るので、ある程度大きなスピーカーの方が適切といえます。

まあ、物理現象として不適切であっても、聞いている本人が心地好ければそれで良いとは言えますが（なので、やたらと大型スピーカーを置きたがる人がいても、趣味としてはアリです）。

お礼

ご回答有難うございます。
勉強中の素人には内容がすこし難解ではありますが、いくつかの疑問にお答えを頂いた気がします。
　皆様のご回答のキーワードを検索しているうちに「音波とは」とのテーマになりつつあります。大気中をどのように伝播しているのだろうみたいな感じです。

回答No.1

sirasak

スピーカーの理論はオーディオの科学など少数記事しかなくて、音がどのように出ているのか分からない人が殆どです。
教科書に書いてないと分からない人が多いようです。

音は空中4π空間に出ますが、箱の一部に付けたスピーカーが振動して音を出すので周囲に音が散らばりますが、高音は指向性が鋭いので正面に強く出ても低音はのれんに腕押し状態になるので巨大振幅にしないと均等な音圧が出ません。
楽器、声、スピーカーは皆同じ原理で、出る音は周囲に広がる球面波です。
高音は直ぐに、低音は数ｍ離れると平面波に変化して音圧低下が少なくなり、数ｋｍでは完全な平面波になり非常に音圧が低下しません。
本来４π空間の360度全方向に回折していく音ですが、スピーカー理論は無限大壁バッフル2π空間（舞台、野原も）に音が広がる理論が多い。
メーカー測定は４π空間の360度全方向と同等の無響室での測定が仕様書に明記されます。

質問1
理論上では機械の技術革新が向上すれば低音で大音量高音質で口径1ｃｍ位では数メートルくらいの振幅が必要になり実現しないはず。
高音だけで良いならそれ以下のワイドレンジスピーカーが携帯電話などで普及しています。

質問2
20ｃｍクラスのハイエンドモデルは低音共振周波数Fsが低目にはなってきているが十分でなくて低音が出にくいものが多いと思います。
低音を出るようにすると感度が低下するし、振動板が大きく動くので許容入力電力が小さくなるのでメーカー競争に負けるのです。

質問3
空気を揺さぶる点においては「大きいうちわ」と「小さいうちわ」のような違いがあるのです。同一スペックであれば「仕事量」も同じなのでこれまた同一現象です。
但し大音量の低音を出すには大口径ウーファーの方が振幅が小さくて済むし、大きな箱でFs上昇が少ないからです。
小口径では音圧が小さくて臨場感が減りますが同等低音が出ます。

お礼

ご回答有難うございます。
素人発送なのですが、底面直径30ｃｍ、高さ30ｃｍの三角錐の頂点より1ｃｍで水平に切断して、頂点側を左側に倒します。真横からみると1ｃｍコーンＳＰと30ｃｍコーンＳＰとの相似関係のように見えます。光などは原子レベルのお話のようですが、横方向をＸ軸とすると、まるで、残りあと29ｃｍ内での事象に思える気がするのですが・・