スピーカー

概説

スピーカーは、音響を表現した電気信号を、物理的な音、つまり空気の振動に変える装置である。たとえば、声や楽器音などの音（音波）をマイクロホンなどで変換して得た電気信号を再び音波にして空間に放ったり、あるいはシンセサイザーなどで電気的に作り出した電気信号を物理的な音、人間が耳で聞ける音にして放つ、などということをする装置である。
スピーカーは、ラジオ受信機、ステレオ装置、テレビ受像機、メガホン、携帯電話　等々等々、さまざまな音響装置に組み込まれている。
一般に、入力された電気信号をできるだけ忠実に音へと変換するスピーカーが「良いスピーカー」や「高性能のスピーカー」などとされている。つまり元の電気信号の波形と、生成された音の波形を比較した場合に、それら波形の間に相違（歪み）が生じたり雑音が入ったりするのは「性能が低い」とされている。用途ごとに、コストも考慮しつつ、性能や大きさが選ばれている。たとえば安価で小さなラジオの小さなスピーカーなどでは（小さくて性能の悪いユニットがひとつしか組み込まれていないことも多く）音を忠実に再現できないことが多いが、コンポーネントステレオ、特に高級オーディオのスピーカーでは、性能の良いユニットを複数組み合わせて「スピーカーシステム」が組み上げられていることが一般的で、電気信号をかなり忠実に音に変換するものが多い。

クロスオーバー・ネットワーク

受動素子のみで構成した音域分割用電気回路を「クロスオーバー・ネットワーク」あるいは「パッシブ・ネットワーク」（ないし単にネットワーク）と呼ぶ。
ネットワークはキャパシタとインダクタによるローパス・ハイパス等のフィルタによるチャネルディバイダと、各帯域のスピーカーの能率の違いによるアンバランスを調整する抵抗によるアッテネータから成る。
ネットワークの設計が正しく行われないと、位相特性や周波数特性が悪化する。このため、特に複雑なものは測定や試聴をくり返して最適な回路を組み上げていくのが普通である。
複雑なネットワークはその原理上位相がばらばらとなるし、バランスを取るのは組み合わせの数だけ難しくなる。そのため、音質上、それでも音域を分割したほうが良いのか、シンプルな構成のほうが良いのかについては、メーカー、ユーザーともに意見が分かれている。
ネットワークの設計において最も重要なのは、クロスオーバー周波数を適切に設定することである。ユニットを増やせば増やすほど再生できる音域は広がるが、反面クロスオーバー周波数が増えることでネットワークの設計が難しくなる。

ダイナミック型スピーカーユニット

一般的な音響機器に組み込まれているスピーカーユニットのほとんどがこの方式を採用している。1924年にチェスターW.ライスとエドワードW.ケロッグによって発明されてから現在に到るまでその基本構造が変わっていないのは、この方式がシンプルで優れているからである。
ダイナミック型のスピーカーユニットにはドーナツ型の永久磁石が用いられる。このドーナツの穴にあたる円筒形の空間に、それよりわずかに直径の小さい筒「ボイスコイル」が挿入されている。ボイスコイルはコイルの一種であり、紙やプラスチックの筒に導線を巻きつけたものである。この導線に音声信号が流れると、電磁石になるためボイスコイルが波形に合わせて前後方向に振動する。ボイスコイルには振動板が直結しており、この振動板が一緒に振動することで音声信号と等しい波形の音が空気中に放射される。これはリニアモーターの原理そのものであり、ダイナミック型スピーカーはリニアモーターの一種であるといってもよい。
上記の各パーツはフレームと呼ばれる骨組に固定され、1つのユニットとして完成したものになる。永久磁石はフレームに強固に固定されるが、ボイスコイルと振動板は振動する必要があるため、ボイスコイルはダンパーを介して、振動板はその外周を取り巻くように張られた「エッジ」と呼ばれる柔軟な膜を介して、それぞれフレームに固定される。ダンパーとエッジは振動板をフレームに固定するサスペンション（懸架装置）であるが、前後方向の動きだけは妨げないようになっている。また、ダンパーは振動板の固有振動を抑える役割もしている。フレームには通常ねじ穴があり、それによってユニットがエンクロージャーなどに取り付けられる。
磁気回路に使われる永久磁石には高い磁束密度が求められる。コストパフォーマンスに優れたフェライト磁石がよく使われるが、小型スピーカーには磁力の強いサマリウムコバルト磁石やネオジム磁石なども使われる。なお、以前はアルニコ磁石も高級品を中心に使われていたが、ニッケル価格が高沸したため現在ではほとんど見られなくなった。またアルニコ磁石には磁気抵抗が少ないというメリットがあるが、減磁しやすい、特殊な磁気回路が必要というデメリットもある。

ダイナミック型スピーカーの振動板の構造

理想的なスピーカーに求められる性能としては、原音に忠実で歪みがないこと、点音源であること、全ての方向に同一の音圧、同一の音質で音を放射すること等が挙げられる。これらを実現するため、振動板の形状や大きさ、取り付け方法が工夫されている。
振動板の形状としては、低音用にはコーン型（くぼんだ円錐形）、高音用にはコーン型やドーム型（ふくらんだ半球形）が主流である。1980年代前半に平面型が流行したが、現在はほとんど使われていない。正面から見て真円形のものがほとんどであるが、テレビなどへの内蔵用として楕円形や多角形のものも使われる。
なお、大きなコーン型振動板の中央に小さいコーン型振動板を取り付けることで、広い帯域の再生を狙った「ダブルコーン型」（サブコーン型、またはメカニカル2ウェイとも呼ばれる場合も）もある。

歪率

スピーカーは、グラム単位の質量を有する振動板を動かすという構造上、歪みはどうしても大きくなる。適切に設計されたスピーカーの中には、可聴域（100Hz以上）の歪率が0.5%を切るものも存在するが、それでも他の機器（CDプレーヤー、アンプなど）の歪率が0.01%を切っていることを考えると2桁以上大きな歪率である。
歪みを発生させる非線形部品としてはダンパーやエッジ、そして設計が悪い磁気回路などが挙げられる。これらの非線形の影響が顕著になるのは振幅が大きい低音域のときである。等ラウドネス曲線が示しているがごとく、ヒトの聴覚は低音域の感度が鈍い。そのためたとえ低音・中音・高音がバランスよく鳴っているように聞こえる楽曲であっても、音響エネルギー分布は低音域に偏りがちであり、そのエネルギー分布を再現（再生）しようとするスピーカーは低音域で大きくストロークする。大きいストロークは振動系支持部材の非線形領域に踏み込み易いのである。また、低音用の振動板は重いため慣性による逆起電力（制動力）を発生させ、これも歪みの原因となる。このためスピーカーの歪みは低音域で発生しやすく、実際に測定してもそのような結果になる。

指向性

オーディオ用スピーカーが広い指向性を理想としているのに対し、指向性を絞って特定の方向に大きな音を伝えたい場面も存在する。たとえば学校教育現場のアナウンス、交通機関の案内放送、街宣車などである。
理論上は指向性を絞るには振動板を大きくすればよいが、直径数m以上ものが必要となり非現実的である。そこで、ホーンと呼ばれる円錐形に広がる管を取り付けたスピーカーが、上記用途の拡声器として使われている。
周波数が高ければ指向性が増すため、超音波を小さな振動部から指向性の強いビーム状で送り出し、音の歪みを利用して可聴音として人間が聞き取れるようにしたパラメトリック・スピーカーというものもある。

特定の振動板がない振動スピーカー

コーン紙など特定の振動板ではなく、直接に振動体（圧電振動子の耐熱樹脂ケース入など）を設置し家の壁、床、その他自動車の天井や花など共鳴するものを振動板とするスピーカーである。
また、放電型（イオン型）スピーカーやサーモホンのように振動板を使うことなく音を発生させるスピーカーもある。放電型スピーカーは高周波放電で発生する空気の振動を利用するもので、過渡応答が優れているという特徴がある。サーモホンは熱音響効果を利用し、周期的な熱の変動による圧力の変化を利用し音を発生させる。十分な音圧が得られなかったため長く忘れられていたが、カーボンナノチューブなどの新しい素材の発明に伴いシート状スピーカーなどへの応用が研究されている。