オーディオスピーカーの高校物理学的考察

質問

• オーディオスピーカーの高校物理学的考察について、波の回折現象を活用したスピーカーの可能性やウーファーのドライブ性能の向上について質問しています。
• いくつか質問があります。まず、スピーカーの技術革新が進むと、大音量高音質で1cm以下のワイドレンジスピーカーが実現可能になるのでしょうか。次に、ウーファーのサイズが小型化している理由は、素材の進化だけではなく、総合的なドライブ性能の向上によるものなのかもしれません。最後に、同じ音量で試聴した場合、大口径スピーカーと小口径スピーカーの音波的な性質に違いはあるのでしょうか。大口径の方が広い音場を生み出すのか、それとも同じ現象なのか気になります。
• 1つの質問に限らず、新たな視点での回答をお待ちしています。

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？