スピーカーの仕組みについて質問があります。

質問

ご覧になっていただきありがとうございます。スピーカーの仕組みに
ついて質問があります。

去年初めてスピーカーを自作し、スピーカーと初めて向き合い、
それ以来疑問に思っていた事があるのですが、
なぜ一つの振動板が振動するだけで、同時に複数の音が出せるの
でしょうか？（音楽でいうと、ボーカル、ギター、ベース、ドラム、
その他の楽器など）

私の足りない頭で考えると、振動板が
(1)ゆっくり振動すると　→　単調な低音（「んー」という感じの音）
(2)速く振動すると　　　→　単調な高音（「ピー」という感じの音）
上記の音か、その間の単調な音しか出せない気がします。
しかし、現実には豊かな音が出てきます。

調べても分からなかったので質問させていただきました。

知恵をお貸しいただけないでしょうか？

回答No.1

choco_jiji · ベストアンサー

音はそれぞれ別々に考えるとそれぞれの波形を持った波になります。
複数音の場合、複数の波がいっぺんに聞こえるわけですが、ここで波の合成が起こります。
いくつの波があっても合成すれば１つの波になります。
スピーカーから発するときにはこのように合成された波が発生されています。

お礼

分かりやすいご回答をありがとうございます。

それぞれの音が合成されるわけですね。イメージできました。

コーンの振動の揺れ幅は数字で言うと０～無限にあって、そのうちの
一つの振動パターンが、耳で聞こえる一瞬一瞬の音を構成していると
いうことでよいのでしょうか？

回答No.9

Yorkminster

>> 市販のミニコンポなどはマルチウェイを良く見ますが、私の部屋（約9畳）にあるブックシェルフ型ほどに小さいですよね？あれほど小さいマルチウェイを自作するには、無理があるのでしょうか？音に制限がでるのでしょうか？ //

小型スピーカーでも、マルチウェイ化するメリットはあります。

第1に、デスクトップサイズといえる5cm～10cm程度のフルレンジでも分割共振は避けがたいので、マルチウェイ化によってこれを解消（軽減）できます。

第2に、やはり同じく高音の指向性を改善するために、ドーム型ツイーターを使うメリットがあります。

第3に、低音域を拡大しやすくなります。スピーカーは、バネにぶら下げた錘りのモデルに置き換えられます。このとき、バネの強さ・長さが同じなら、錘りが重い方がより大きく、長い周期で振幅します。これと同じく、スピーカーの振動板が重い方が低音が出やすくなります。反面、機敏性を失うということなので、高音は出にくくなります。

そこで、高音は諦め（むしろ分割共振を避けるために殺し）てツイーターに任せ、ウーファーの役割に徹するように設計すれば、より低音域を再生しやすくなる訳です。

ただ、ミニコンポのスピーカーにまで同様のことが当てはまるかは、別問題です。たとえば、ペア5万円の手のひらサイズの2wayと、両手で抱えるサイズのミニコンポの2wayとを比べれば、前者の方がクオリティが高いといえるでしょう。

マルチウェイのスピーカーを作る際に最も難しいのは、それぞれのドライバーにどの音域を担当させるか、という部分です。これを決めるのがディバイディングネットワークですが、シミュレーターで計算し、実際に仮組して測定・試聴し、再設計する、という作業を繰り返さなければなりません。本気のネットワークの設計というのは、そのくらい困難なものなのです。

高級スピーカーは、ドライバーユニット自体に良いものを使っているだけでなく、このネットワークの設計にかなりの注意が払われています。逆に、安いマルチウェイほど適当な設計になっています。自作記事を見ていると、測定方法自体に問題がある場合も少なくありません（問題があることに気づいていない、ということの方が問題なのですが）。

もちろん、素人の自作でそこまで細かいことにこだわる必要は、必ずしもありません。たとえ測定方法に間違いがあっても、作ること自体に楽しさがありますし、売り物にしたり他人に自慢したいのでなければ、作った本人が聴いて良いと思えばそれで十分だからです。他人に聴かせるにしても、「俺はこの音が好きなんだよ」というだけなら（その音を聞く人に押し付けないなら）構わないでしょう。

その意味で、小型のマルチウェイスピーカーを自作するのに臆することはありません。何よりもまず、1歩目を踏み出さないことには旅は始まらない訳ですから。ただ、どうにも行き詰まったとき（どれだけ調整しても市販品に敵わないとか、どうも思い通りに調整できないとか）には、客観的な基準に戻ることが必要でしょう。細かな知識やシミュレーターの導入などは、そのときになってからでも遅くはありません（私自身、まだまだ知らないこと、理解しきれていないこと、誤解していることがたくさんあります）。

お礼

ご返信をありがとうございます。

分割共振、高音の指向性改善、低音域の拡大。
この利点は非常に魅力的に思います。

本題から外れますが、今回ご回答を拝見して３ウェイスピーカーを作成しようと思いました。そして自作したフルレンジのスピーカーにもフルレンジの魅力があると知りましたので、両方を聞き比べたいと思います。

いろいろとご教授いただきありがとうございました。
素敵なスピーカーを作成いたします。

回答No.8

iBook 2001（@iBook-2001）

はじめまして♪

私はスピーカーの自作も趣味の一つとしております。
小学５年生の頃から興味をもち、夏休みの工作で箱を作ったのが最初かな？　それで、同じような疑問を持ったのは、中学生になってからかと思いますが、お父さんから聴いた記憶では、、、

いろんな音が有って、音楽では同時に演奏しているのを、一つのマイクで全体を捕らえたんだから、一つのスピーカーで全体の音、いろんな音が出るんだよ。
　写真だって人の顔や空や山や海が映るけど、カメラのレンズひとつで捕らえたフィルムを現像すると写真になり、赤とか緑とか一種類の色じゃないんだ。　だから絵を描くとき、たった一枚の紙にいろんな絵の具で色が塗れるのとおんなじ。

って　言われ、なんとなく　ふ～ん。　って　理解した様な、まだわかんないような気持ちを　久々に思い出しましたよ～♪

きちんとした論理的なことは、前出のヨークミンスター様のを　じっくり読んでみてください。

回答から脱線しますが、ヨークミンスター様の書き込み、とても参考になり、いつも感謝しております。　とくに今回は動作原理だけでは無く、趣味としてのオーディオの鱗片　私には読みながら輝くように感じました。　

↑
また、回答と無関係な発言って、サイト運営側から警告メール来るかも～。（大抵は　警告メールが来た段階で、「削除しました」って、、、）

お礼

ご回答をありがとうございます。

＞いろんな音が有って、音楽では同時に演奏しているのを、一つのマイクで
＞全体を捕らえたんだから、一つのスピーカーで全体の音、いろんな音が出るんだよ。
このご説明は、端的に理解するには非常に分かりやすいと思いました。確かに、一つのマイクで録音した音をスピーカーで再生すると、音が一つしか聞こえないのはおかしいですよね。

＞って　言われ、なんとなく　ふ～ん。　って　理解した様な、まだわかんない
＞ような気持ちを　久々に思い出しましたよ～♪
私の質問によってそのような気持ちになって頂き、うれしく思います♪

回答No.7

Yorkminster

すでに書かれている通りですが...

人間が最も単純に「音」と認識できる空気の振動を、電気的に表すと、「正弦波」という形になります。たとえば、時報の「ポ・ポ・ポ・・・」という音は、ほぼこの正弦波に相当します。その周波数は、約440Hz（正確にはもう少し低い）つまり1秒間に440回の振幅ということです。したがって、このときスピーカーは、1秒間に440回振動していることになります。

ところで、440Hzというのは、オーケストラで最初にチューニングをする「ラ(A)」の音です。しかし、ヴァイオリンの「ラ」と、トランペットの「ラ」は、当然音色が異なります。これは、同じ440Hzを基本として（根音、基音という）、上下の様々な周波数の音（倍音という）が同時に出ているからです。つまり、「楽器の固有の音色」は、この倍音の出方の違いによって成り立っている訳です。

空気の振動である音波を電気信号に変換する装置がマイクロフォンです。マイクは、このような複雑な音波の集合を、（理想的には）そのまま電気信号に変換しています。つまり、CDに記録された音は、すでに単純な正弦波ではなく、複雑な音波の集合なのです。

そうすると、再生段階でスピーカーに入力される信号は、すでに複雑な音波の集合としての電気信号なので、スピーカーは（理想的には）これをそのまま振動に変換する訳です。ゆえに、1個のスピーカーがシンバルに変身したり、次の瞬間には大太鼓に化けてみたりする訳です。

フルレンジとマルチウェイの優劣は、もっとも端的には「分割共振」という現象によって説明できます。

スピーカーの振動板は、「絶対に変形せず、エネルギーをロスせず、かつ固有の共振モードを持たない」という理想状態を前提に考えられています。しかし、たとえば紙は曲がりやすく、叩けば固有の音を出します。これは、プラスチック、金属、布など、あらゆる物体についていえます。

他方、低音を再生するためには、同時に大量の空気を駆動しなければなりません。つまり、口径が大きい方がスピーカーとして理想的なのです。

しかし、口径が大きいと、振動板を駆動する部分（ボイスコイル）からの距離が増える訳で、そこに上記のような「振動板に固有の変形、ロス、共振」が発生しやすくなります。これは、特に周波数が高いほど顕著で、高音になるほどボイスコイル付近だけが振動し、端の方は振動しないという状況が生じます。これを、分割共振といいます。

そこで、口径を大きくしつつ分割共振を防ぐために、「分割共振しない周波数」を継ぎ接ぎする方法が考えられます。これが、マルチウェイ化の目的です。したがって、特に大型のスピーカーほど歪み率の劇的な改善が見られます（10倍以上違うこともある）。

しかし、音源位置がズレるということでもあるので、スピーカーから十分にはなれ、良くブレンドされる位置で聞く必要が生じます。狭い部屋に大型スピーカーが適さない理由の1つです。

また、分割共振が絶対に「悪」なのではなく、ただ科学的に見て理想的でないというに過ぎません。分割共振が固有の音色となって好まれることも少なくありません。

他に、マルチウェイ化するメリットとして、指向性の改善があります。音波は、高音ほど直進しやすくなります（その性質を利用して、超音波の反射で距離を測定することもあります）。逆にいえば、大口径スピーカーほど、スピーカー正面以外では高音が減衰し、音場感がなくなり、音像が不鮮明になるということです。

これを防ぐためには、振動板をコーン型ではなくドーム型にします（他にも方法がある）。ツイーターにドーム型が多いのはこのためで、高級ミッドレンジも同様にドーム型が少なくありません。

長くなるので、この辺で。

お礼

ご回答いただき、ありがとうございます。

＞つまり1秒間に440回の振幅ということです。したがって、
＞このときスピーカーは、1秒間に440回振動していることになります。
なるほど。空気を振動させるのですから、ヘルツの数値分、同じように、コーンが１秒間に440回振動してるのですね。興味本位で、たまにコーン部分を手で軽く触れて振動を確かめたりしていたのですが、そんなに尋常じゃない回数振動しているのですから、やはり振れるのはよくないですよね。。これからは触らないようにします。

＞「楽器の固有の音色」は、この倍音の出方の違いによって
＞成り立っている訳です。
これもなるほど！と思いました。私は１年ほど前からギターをしていますが、たしかに弾く弦によって同じ音なのに音色が違う事は今考えると不思議に思いましたが、Yorkminster様のご回答で納得できました。

＞口径を大きくしつつ分割共振を防ぐために、「分割共振しない周波数」を
＞継ぎ接ぎする方法が考えられます。これが、マルチウェイ化の目的です。
なるほど。音域が広がるだけではなく、スピーカーの物理的な問題もあるのですね。
市販のミニコンポなどはマルチウェイを良く見ますが、私の部屋（約9畳）にあるブックシェルフ型ほどに小さいですよね？あれほど小さいマルチウェイを自作するには、無理があるのでしょうか？音に制限がでるのでしょうか？

回答No.6

isy327

＞(1)２ウェイや３ウェイにすると、フルレンジのスピーカーよりも具体的にどのように音の変化があるのでしょうか？
＞(2)それぞれの音域の担当スピーカーが増えるほど、音楽にたとえると実際にその場で楽器やアーティストが歌ってるように聞こえるということでしょうか？
(1)については、一つのＳＰの出せる音の範囲（低音から高音まで）はどうしても限界がありますが、それを低音・中音・高音の３ウエイにわければ楽に音を出すことが出来るので音の幅に余裕のあるＳＰが出来ます。
(2)については、極端に言えばそうなりますが非常にコストがかかり、現実的なＳＰシステムとは言えません。でも海外スピーカーの中にはそのようなとんでもないＳＰもありますよ・・・恐ろしく高額ですが。

お礼

ご返信をありがとうございます。

なるほど。フルレンジでも作成して音聴いて感動したのですが（自分で作ったのでより良く聞こえたのかもしれませんが。）、２ウェイ、３ウェイにも興味が出てきました。

機会を作り、作成しようと思います。

回答No.5

MOMON12345

> 調べたところIMとは簡単に言うと歪みのことでよろしいでしょうか？

その通りです。
相互変調歪みと言うもので、非線形な伝達を行えば必ずこれは発生します。
従ってスピーカでも、実は耳の内部でもIMは発生しているのです。

お礼

ご回答をありがとうございます。

お話を聞いていて、非常に関心が高まりました。
「音のしくみって面白い！」と思えました。
これを機会に音について勉強をしたいと思います。

度々ですがご回答をありがとうございました。

回答No.4

pochi2tama

逆に、耳は１つ（左右で２つ）ですが、いろいろな音がきこえ、識別できますよね？

耳には鼓膜があり、耳で音を聞いたときに鼓膜が振動し、それが脳に伝わり音を感じます。

脳＜＝耳（鼓膜）＜＝空気（の圧力変化）＜＝スピーカー＜＝電気信号（電流の強弱）

耳（鼓膜）では空気中を伝搬してきた複数の音（空気振動）が合成された物を聞いていることになります。

スピーカーでは、この合成された物（空気振動）を直接発音しているだけです。

お礼

ご回答をありがとうございます。

不思議なのはスピーカーだけではなかったですね。。

生き物の耳を考えると「鼓膜」などは、振動を伝えることができる空気がある地球だからこそ進化した機能あり、これが空気がない星の宇宙人では（いたらですが。。）鼓膜という機能は意味をなさないですね。
そんな星の宇宙人のコミュニケーションはジェスチャーなどしかないのでしょうかね。
と考えてしまい、話がそれてしまいました。失礼致しました。

なんとなく理解ができたのですが、完璧には理解できていないため自分でももうちょっと音について掘り下げて勉強していきたいと思います。たびたびですがご回答をありがとうございました。

回答No.3

isy327

ご質問者が疑問に思っておられるとおり、確かに一つのスピーカーから色々な音が聞こえてくるのは不思議です。ですから、究極のオーディオは超低音・低音・中低音・中音・中高音・高音・超高音などと、その音の専門の帯域を受け持たせるスピーカーをまとめて使って原音に近づこうとするわけです。もっともお金がかかりすぎて実際にやってる人は少ないとは思いますが。再生音の広がりを持たせるために２ウエイ、３ウエイと複数のスピーカーを使うのもその為です。また別の視点から考えると、色々な音を聞き分けられる人間の耳は非常に良くできたマイクのようなものです。マイクの基本構造はスピーカーと似てますから逆に考えれば一つのスピーカーから色々な音を出すことは可能な訳です。

お礼

ご回答をありがとうございます。

２ウェイや３ウェイのスピーカーが存在する本質的な意義がわかりました。
２ウェイや３ウェイにすると、フルレンジのスピーカーよりも具体的にどのように音の変化があるのでしょうか？
それぞれの音域の担当スピーカーが増えるほど、音楽にたとえると実際にその場で楽器やアーティストが歌ってるように聞こえるということでしょうか？

回答No.2

MOMON12345

スピーカを駆動する信号が複雑な波形だからです。
例えば1KHzの正弦波でスピーカを駆動すれば1KHzの音が出てきます。
そこに3KHzを加えると1KHzと3KHzの音が出てきます。
スピーカを駆動する信号波形は1KHzのサイン波と3KHzのサイン波を合成したものになります。
（サイン波の合成は簡単に計算できます）
もっと複雑な、様々な波形が合成された信号をスピーカに入れれば様々な音が出ます。
周波数もレベルにも相関のない信号を入れるとノイズとして聞こえます。

上の例で、1KHzと3KHzの正弦波が正しく歪み無く再生できれば音は1KHzと3KHzなのですが、実際には歪みが発生します。
高調波歪みは1KHzのn倍、3KHzのn倍が出力され、IMとしては1KHzと3KHzの差分が1KHzと3KHzに加減された周波数に出てきます。
こうしてスピーカの駆動波形の高調波成分や歪み成分も実際には出力されるわけです。

お礼

更に専門的なご回答をありがとうございます。

調べたところIMとは簡単に言うと歪みのことでよろしいでしょうか？
その歪みが耳に聞こえない程度ではあるが、実際は出力されているということでしょうか？