スピーカーのしくみ電気信号から振動へ、
空気の変化が音になる。

スピーカーは、電気信号を振動と音へ変える

スマートフォンの曲は、電気信号のままでは耳に聞こえません。スピーカーは信号に応じて振動板を動かし、周囲の空気に圧力の変化を作ります。その変化が音として伝わります。

ここでは、磁石と動くコイルを使うダイナミック型のうち、コーン形のスピーカーユニットを入口にします。コーンは円すい状の振動板です。テレビや音響機器で広く使われる原理ですが、すべてのスピーカーが同じ形や方式ではありません。

箱を含めた製品全体と、音を生む一つのユニットも分けて考えます。一つの箱に、異なる帯域を担当する複数のユニットが入る場合もあります。

固定された磁気回路の中で、コイルが動く

図1は、ユニットを中心軸に沿って切った模式図です。左が後ろ、右が音を出す前面。固定された磁石と鉄の部品が、細いすき間に強い磁場を作ります。このすき間を磁気ギャップと呼びます。

ギャップ内には、筒状の部品に巻いたボイスコイルがあります。アンプからの信号でコイルに電流が流れると、磁場の中の導線が力を受けます。コイルの筒と振動板はつながっているため、コイルの動きが振動板へ伝わります。

図の上下に見える巻線は、別々のコイルではありません。一つの円筒状の巻線を切った二か所です。緑の振動板も、上下の二枚ではなく一つのコーンの断面です。図は位置関係を見せるため、すき間や厚みを大きくしています。

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コイルが鉄の部品にこすれず動くには、位置を保つことも重要です。振動板の外周を支えるエッジ（サラウンド）と、コイル側を支えるダンパー（スパイダー）が働きます。硬く固定して動きを止める部品ではありません。

電流の変化が、前後の力を変える

磁場と巻線の配置が同じなら、電流の向きを逆にすると、コイルが受ける力の向きも逆になります。音声信号に応じて電流の向きや大きさが変わり、動く部分へ前後の力が加わります。

ここで、電流の波形と振動板の位置を、そのまま同じものにしないでください。振動板には質量があり、エッジやダンパーには戻そうとする力があります。動きやすさや損失もあるため、実際の変位は信号の周波数や構造に左右されます。

図1の二本の矢印は前後運動を示す記号で、同時に逆向きの力が加わる瞬間図ではありません。端子の極性・巻き方向・磁場の向きを描いていないため、「この電流なら必ず右へ動く」と決める図でもありません。

磁石は磁場を用意しますが、電力を生み続ける供給源ではありません。振動と音に渡るエネルギーは、アンプ側から受け取ります。受け取ったすべてが音になるわけではなく、巻線の発熱などの損失もあります。

音は、空気の圧力変化が伝わる波

振動板が前へ動くと、前方の空気を押して圧力を変えます。後ろへ動く過程でも、周囲の空気に変化を作ります。こうした変化が隣の空気へ伝わり、音になります。

空気中の音は、伝わる向きに沿って空気が行き来する縦波です。空気が密になる部分と、疎になる部分が伝わります。「スピーカーから出た空気のかたまりが、そのまま耳まで飛んでくる」という仕組みではありません。

音の波形を上下の曲線で描くことがありますが、空気がその曲線の道を上下に進んでいるわけではありません。図2は、ある位置で時間とともに変わる圧力を描いたグラフです。振動板の位置や、アンプの電流のグラフとは区別します。

音の高さと大きさは、別の量

図2では、単純な正弦波の圧力変化を三つ並べています。どの行も横軸は0〜10ミリ秒、縦軸は平均の圧力からの差を共通の尺度で描きます。Aは振幅の相対値で、実測したパスカル値ではありません。

1行目は200Hzで、10ミリ秒に2回の周期。2行目は400Hzで、同じ時間に4回です。周波数は一秒あたりの繰り返し回数で、Hz（ヘルツ）で表します。単純な音では周波数が高いほど、高い音として聞こえます。

3行目は1行目と同じ200Hzで、圧力の振幅だけを2倍にしています。周期の回数は変わりません。同じ周波数・同じ観測条件なら、圧力の振幅が大きい音は、一般により大きく聞こえます。

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**「振幅2倍なら、感じる音量も2倍」とは言えません。**大きさの感じ方には周波数も関係します。また、アンプの出力、振動板の変位、ある場所の音圧は、それぞれ違う量です。製品の音量目盛りだけから、どれも同じ比率になると考えないでください。

音楽や声は、一つの正弦波ではありません。いくつもの周波数成分や時間変化を含む信号を、ユニットがまとめて再現しようとします。一つのスピーカーが、異なる音を同時に出せるのはこのためです。

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1. 基準：200Hz、振幅A=1、10msに2周期
2. 周波数だけ変更：400Hz、A=1、10msに4周期
3. 振幅だけ変更：200Hz、A=2、10msに2周期

アンプ・箱・複数ユニットも、働きが違う

パワーアンプは、信号に応じてスピーカーを駆動する電力を供給します。外部アンプで駆動するパッシブスピーカーと、アンプを内蔵するパワードスピーカーでは、アンプの置き場所が違います。「アンプ内蔵だから別の音の原理になる」という意味ではありません。

箱はエンクロージャーと呼ばれます。ユニットを収めるだけでなく、ユニットや音響設計と組み合わせて再生特性に関わります。箱の大きさや開口のある構造などを、ユニットから切り離して「この形なら必ず良い音」と判断できません。

低音用のウーファー、高音用のツイーターなどで帯域を分担する方式もあります。その場合は、信号を周波数帯に応じて分けるクロスオーバーなどを組み合わせます。すべての製品が複数ユニット方式ではなく、広い帯域を一つで担当するフルレンジの方式もあります。

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大きく動けばいつでも忠実に再生できるわけではありません。動く範囲、磁場、支持部品、発熱などには設計上の条件があります。信号に対する動きがずれれば、再生音にも歪みが生じます。部品単体の大きさや素材一つだけで、音質を決めつけないことが大切です。

すべてのスピーカーがコイルと磁石を使うわけではない

圧電（ピエゾ）方式では、電圧による材料の変形を振動に利用します。今回のボイスコイルを動かす方式とは違います。また、ダイナミック型にも、コーンとは形の違うドームなどがあります。

「スピーカー」と呼ばれる製品の共通点は、信号に応じて音を生むことです。図1の円すい形、磁石の配置、部品の寸法を、すべてのイヤホンやスピーカーへそのまま当てはめないでください。

Bluetoothとモーターから、役割をつなげる

Bluetoothで音楽を送るとき、**電波が運ぶのは音を表すデータです。**受信側がデータを読み戻し、音声処理とアンプを経てユニットを動かします。耳に届く音は、その後に作られた空気の振動です。通信、電気信号、音を分けると、「無線なのに音が出る」を順番に説明できます。

モーターも、磁場の中の電流が受ける力を使います。今回の回転モーターは軸を回す仕事を取り出し、スピーカーは振動板を前後に動かして音を作ります。同じ磁石とコイルの組合せでも、取り出す動きと目的が違います。

電池は、電気の供給源になる側です。ワイヤレススピーカーでも、電波だけでユニットを駆動するのではなく、本体の電源から音を出すためのエネルギーを受け取ります。供給、通信、増幅、振動、音の順に役割を分けて見てみましょう。

マイクは逆向きの役割を持ち、音による振動板の動きから電気信号を取り出します。ムービングコイル型は動く導線の電磁誘導を利用します。スピーカーと同じ磁石・コイルでも、動かす側と信号を取り出す側を区別すると、録音から再生までを追えます。

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1. 受信・音声処理：データを音声信号へ戻す
2. アンプ：信号に応じた駆動電力を供給
3. ユニット：振動板を動かして音を作る
4. 空気中の音：圧力変化が耳へ届く