マイナーオーディオ講座

MCAP-CR
多自由度バスレフ型研究所
Audio Engineering Laboratory

スピーカー再生技術(1) - スピーカー再生は空気を動かす技術

　スピーカーシステムは、どこででも目にするものです。一般には、音を鳴らす装置と考えられているでしょう。もちろん、音を鳴らす装置であることは、間違いありません。しかし、『音を鳴らす』と漠然ととらえていると本質を見失うかもしれません。
　では、『音を鳴らす』というのは、何を意味するのでしょうか？
　それは、空気を動かすことです。すなわち、スピーカー再生技術とは、空気を駆動して、音を発生する技術であると考えてみましょう。

　さて、音とは何でしょうか？
　音とは、空気の圧力変化であると説明されています。空気の圧力を気圧ともいいます。大気の圧力の代表値を1気圧(ata)といい、その値は、1013ヘクトパスカル(hPa) とされています。元々は、1013ミリバール(mbar)と表記されていましたが、国際単位系の統一に従い、パスカル(Pa)という圧力単位を使うようになりました。そのときに、それまで使われていた、1013という数字をそのまま使いたかったので、ヘクト(h)を付けたようです。しかし、ヘクト(h)という接頭辞はあまり一般的ではないので、数字は変りますがキロパスカル(kPa)とかを使っても良かったのではないかと思います。大気圧は、常時変化していますが、この変化はゆっくりなので音としては認識されていません。音として認識されるのは、圧力変化が、1秒間に20回以上繰り返されるというのが一般的なようです。この1秒間に20回繰り返すことを、20ヘルツ(Hz)と表現されます。
また、人間の耳では、微小な圧力変化を認知することができず、聞き取ることのできる最小の圧力変化は、20マイクロパスカル(μPa)といわれています。また、音として感じられる最大の圧力変動は、約63Paということです。これが、耳が壊れる寸前の音の大きさとなります。
　1パスカル(Pa)は、1平方メートルあたり1ニュートン(N)、1気圧(ata)は、およそ100,000Paですから、聞き取れる最大音の圧力変動は、63÷100,0000=0.0063%しかありません。音というのは、それだけ小さな圧力変動なのですね。音の圧力変動は、たったこの程度しかないので、スピーカーシステムでも、オーケストラを感じさせる音の再現が可能な訳です。

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スピーカーで音を発するということは、圧力変動を引き起こすことだと書きました。この圧力変動はどのようにして発生させられるのでしょうか？Fig.1-1をみてください。Fig.1-1は、大きな注射器のような密閉構造の部屋を表しています。密閉構造はリスニングルームとしては適しませんが、気圧の変動を引き起こす仕組を説明するために書きました。

Fig.1-1

Fig.1-2

ここで、Fig.1-2のように、壁が左に動くと部屋の容積が小さくなります。しかし、中に入っている空気の量は変わらないので、容積が減る代わりに、圧力が高くなります。そして、部屋の容積が減った状態で、壁が止まると、部屋の中の圧力は元の状態より高い一定値になります。ここで、壁を振動板に置き換えると、スピーカーシステムが、気圧を変化させる働きのあることがわかります。これが、ゼロヘルツを再生するという状態です。電気でいえば、交流ではなく、直流の状態です。

では、実際のリスニングルームではどうなるのでしょうか？
実際には、隙間がありますので、ここでは、窓を大きく開けた状態を考えてみます。この状態をFig.2-1に示します。

Fig.2-1

Fig.2-2

Fig.2-1では、右側の壁が動いても、空気は左側から逃げてしまうので、圧力は高くなりません。云ってしまえば、普通の部屋では、ゼロヘルツの再生は不可能だということになります。
では、右側の壁の動きがFig.2-2のように、往復運動だったらどうなるのでしょうか？
壁が左に動くと、まず壁に近いところの空気が、左側に押されます。それが、左側に徐々に影響していきます。物理学の用語で表現すると、壁の近くは、最初に空気が『密』の状態になります。そして、この密の状態が左側に移動していきます。密の状態が移動すると、元の場所は空気が薄くなるので、『粗』の状態になります。そして、時間が経つと元の状態に戻ります。
しかし、元の状態に戻る前に、今度は、壁が右側に戻ってゆけばどうなるのでしょうか？今度は、壁付近の空気が、更に粗の状態になるので、左側の空気が右側に引っ張られます。これを繰り返すと、空気の粗と密の状態が交互に現れます。空気が密のときは、圧力が高く、粗のときは、圧力が低いので、圧力変動が発生することになります。これが、スピーカーシステムが発生する音の正体です。
注意しなければならないことは、この動きがゆっくりの場合には、空気の圧力変動の幅が小さく、音にならないことです。ということは、スピーカーシステムの場合には、振動板を速く動かせば、圧力変動が大きくなります。

このことから、スピーカーシステムには、振動板の速度を大きくしにくい、すなわち、周波数が低い（＝低音）の再生限界がありそうだということが想像できますね。このことは、低音を発生させる技術が、スピーカー再生技術のなかで、最も難しいことであるということができます。

では、どうしたら、低音を効率よく再生できるのでしょうか？

この先は次にお話ししたいと思います。

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