スピーカー

みなさんもご存じの通り、スピーカーとは「電気信号を音波に変換するもの」です。
と一言に言ってしまえば簡単ですが、実は取扱いが難しいアイテムでもあります。
音響のトップでも述べたとおり、ＰＡとは「大衆伝達」が目的です。会場内のすべてのお客さんになるべく均一な音質・音量を提供しなくてはなりません。
そのために、目的に応じた形態・規模のスピーカーを選択しなければなりません。
また、誤った使い方をすると簡単に破損してしまうこともあります。
ここでは、そんなスピーカーの「電気信号を音波に変換」する原理、スピーカーの型式、ホールにおけるスピーカーの運用などについて述べようと思います。

スピーカーの原理

マイクロホンのコーナーで、マイクロホンは「音波を電気信号に変換するもの」と述べました。
スピーカーはその逆の働きをする物ですが、その原理はほとんど同じといえます。
その原理には、マイクロホンと同じくダイナミック（ムービングコイル）型やリボン型、コンデンサー型などがありますが、ここではＰＡで一般的に用いられている「ダイナミック型」について述べます。

ダイナミックマイクの場合には、振動板に取り付けられたコイルが永久磁石の中で動くことにより発電して音波を電気信号に変えています。
ダイナミックスピーカーの場合には、コーン紙に取り付けられたコイルに電気信号を流すことにより、コイルがコイルの中に取り付けられた永久磁石と反発したり引きつけあったりしてコーン紙を前後に動かし、音波を発生させています。
かなり以前、こんなことを聞いたことがあります。あるアマチュアのコンサートで、ステージにいる人が「おい、このマイクしゃべってるぞ！」と言うのだそうです。
よく聞いてみると、そこからはミキサーからのトークバックが・・・マイク回線とモニタースピーカーの回線をつなぎ間違えてしまったんですね。
ウソのような話ですが、現実にはあり得ます。マイクからは音は出ますし、スピーカーはマイクがわりになります。インターホンがそうですね。（だからといって、よい子のみんなは決して実験しないように！　電気信号の大きさがまるで違うので、マイク壊しちゃいますよ！）

「電気信号」と一口にいいましたが、直前にも書いたとおりマイクが発生する電気信号とスピーカーを駆動するための電気信号とでは、その大きさがまるで違います。
マイクからの信号をスピーカーを駆動できる電力にするために「パワーアンプ」と言う機材を使います。（プリアンプも必要ですが・・・）
スピーカーの能力を表すのに「定格入力」と言う言葉を用いることがあります。これは「長時間連続動作させてもスピーカーが壊れない最大のパワー」のことで、ワット（Ｗ）で示されます。ここでの注意は、パワーアンプの定格出力がスピーカーの定格入力を上回らないことです。よく間違えやすいのが「最大入力」で、これは「短時間なら、与えてもスピーカーが壊れないパワー」と言うことです。注意しましょう。

スピーカーの能力を表すのは、定格入力だけではありません。
「周波数特性」や「出力音圧レベル（能率）」と言う言葉があります。
「周波数特性」とはそのスピーカーがどの周波数からどの周波数まで（低い方から高い方へ）の音を再現できるかということを表す物です。
「出力音圧レベル」とは入力した電気信号に対して、どれだけ音圧が出せるかということです。ｄｂ（デシベル）で表されますが、この値が大きいほど音圧が出せるということです。反面壊れやすいともいえます。（エンクロージャーの型式にもよりますが・・・）

スピーカーにも「インピーダンス」と言う物があります。
通常は「８Ω（オーム）」だと思って置いてください。スピーカー本体に必ず明記してありますので確認してください。
パワーアンプにも負荷に対するインピーダンスが定められています。通常は４Ω〜８Ωです。
ここで注意が必要なのは、スピーカーを複数本パワーアンプにつながなくてはならない場合です。
通常並列につなぎますが、そうすると「合成インピーダンス」と言って、全体のインピーダンスが低下します。
詳しい計算法は割愛しますが、８Ωのスピーカーを２本並列にすると４Ωになり、３本並列にすると２.７Ωになります。
そうすると、パワーアンプの出力も変わってきます。パワーアンプのカタログを読むと「１００Ｗ・８Ω負荷、２００Ｗ・４Ω負荷」などと書いてあります。
パワーアンプは負荷インピーダンスが定格インピーダンスを下回ると壊れてしまう場合もありますので注意しなくてはなりません。「１台のパワーアンプにつなぐスピーカーは２本まで」と思っておけばよいでしょう。

この他にもダンピングファクターという項目もありますが、ここでは割愛します。（参考までに、ダンピングファクターを改善しようとするならば、太く短いスピーカーケーブルを使用するとよい。）

スピーカーの型式

スピーカーは、はだかのユニットそのままで使っても本来の性能は発揮できません。
必ず「バッフル板」と呼ばれる板に取り付けたり、「エンクロージャー」と言われる箱に取り付けて使用しなくてはなりません。
なぜかというと、スピーカーユニット前面から出る音波と後面から出る音波は逆相なため、お互いにうち消しあってしまうからです。
そこで、バッフル板に取り付けたりエンクロージャーなどに収めて、スピーカーユニット前面から発生する音波だけを利用するのです。
バッフル板はそれだけでスピーカー本来の性能を出そうとすると、１０ｍ四方の板が必要になってしまいますので実用的ではありません。
埋め込みスピーカーなどにその例を見ることができます。つまり天井や壁がバッフル板だということです。
エンクロージャーは基本的に「箱」なのですが、その形式によって用途や特性がかなり変わります。


後面開放型	ギターアンプなどに用いられる。 低音まで再生しにくく、コーン紙が野放図に動いてしまうため、許容入力は低くなる。
密閉型	完全に密閉されたエンクロージャー。 大きいほど低音まで再生される。
バスレフ型	スピーカー後面からの音圧を積極的に利用するため、密閉型スピーカーのバッフルに穴をあけ、ダクトを取り付け位相反転させたもの。 ダクトの位置や長さ・口径で低音の特性が変わる。家庭用オーディオやスタジオモニター、ＰＡなど広く用いられている。
フロントロードホーン型	スピーカーユニットの前面に短いホーンを取り付けたもの。 能率が良く遠くまで音を届かせることができるため、ＰＡやホールのプロセニアムスピーカーなどに用いられる。 重低音は出せないが、逆に重低音まで出したくないとき（講演など）には有利。 バスレフ型式と組み合わせて低音再生を改善したものもある。
バックロードホーン型	スピーカーユニット後面に、折り畳んだ長いホーン構造を持たせたエンクロージャー。 ホーン長が長くとれるため低音まで再生しやすいが、長い分前面からの音と後面からの音とで時間差が生じ、特性に影響する。 設計や設置場所がむずかしい。
フォールデッドホーン型	スピーカーユニットの前面に長いホーン構造を取り付け、スピーカーユニットからの直接音は出さない。 重低音の再生に用いられる。


スピーカーは、中高音はユニットからの直接音を利用しますが、低音域にあっては上の表のように後面から発生する音圧を利用するものがあります。
と言うのも、音波（に限らず光や電波もそうだが・・・）は周波数が高いほど指向性が鋭くなると言う性質を持っているからです。
低域の音波は指向性があまりないため、曲がりくねったホーンを通しても音が変化しにくいのです。そしてホーンは長ければ長いほど最低共振周波数が低下するため、より長い方が重低音を再生できるのです。（もっとも長ければ伝達時間も遅くなるので、むやみに長くすればいいと言うものでもない）

スピーカーユニットは「大きくてやわらかいほど低音を再生しやすく、小さくて堅いほど高音の再生に適している」と言えます。
ユニットの種類ごとの特性は以下のようになります。


フルレンジ	１本のスピーカーユニットで低音から高音まで再生できるユニット。 ただし、重低音や超高音までは再生できず、マルチウエイシステムの中低域用として使われることが多い。 また高音再生を改善するために、ユニット中央に小型のホーントゥイーターを取り付けた「同軸スピーカーユニット」などもある。（カーステ用の２ウエイスピーカーはほとんどこのタイプ）
ウーファー	主に低音再生を目的にしたユニット。コーン型。 低音再生のために大きくてやわらかいが、同時にやわらかすぎると歯切れが悪くなるため、材質が工夫されている。
スコーカー	中音域用ユニット。ホーン型とコーン型がある。ミッドレンジとも言う。
トゥイーター	高音域用ユニット。ホーン型が主。（ドームトゥイーターと言うものもある） 金属製の短いホーンが付いている場合が多い。指向性が狭いため、複数個使用したりホーンを取り付けたりする場合がある。


フルレンジスピーカーは１本で低域から高域までの音声信号を担当しますが、それ以外のスピーカーはそれぞれ担当する周波数帯域が決められています。
それぞれの帯域にあったスピーカーユニットを使用してシステムを構築することを「マルチウエイシステム」といいます。この方式をとることによって、低域から高域まで周波数特性のよいスピーカーシステムが得られます。
そのためには、入力された音声信号をそれぞれのユニットに適合した帯域に分割しなくてはなりません。ウーファーとトゥイーターとでは、出力音圧レベルや定格入力が違うので、ひとつのパワーアンプ出力で全部のユニットを駆動することはできないのです。
音声信号を各帯域に分割する方法として、「ネットワーク方式」と「マルチアンプ方式」との二つの方式があります。


ネットワーク方式	パッシブ方式とも言われる。 コンデンサーとコイルを利用して、音声信号を分割する方式。電源が不用。 パワーアンプとスピーカーユニットの間に挿入するので許容入力に注意が必要。 さらに負荷インピーダンスによって特性が変化してしまうので、基本的にそのスピーカーシステム専用となる。
マルチアンプ方式	チャンネルデバイダー（エレクトロニッククロスオーバー）と言う機器を用い、アンプ入力前に音声信号を各帯域に分割する方法。 そのため、分割したそれぞれの帯域ごとにパワーアンプが必要となるが、スピーカーシステムにあわせて細かく設定が変えられる。会場の規模などでスピーカーシステムの規模や設定が変化するＰＡに最適。 一方、パワーアンプをたくさん用意しなくてはならないため、電源の確保やシステム自体が高価になるなどのデメリットもある。

ホーン

中高域用のスピーカーには、ドライバーユニットと言うものにラッパ状の「ホーン」を取り付けたものがあります。
ホーンには次のような種類があります。


エクスポーネンシャルホーン	断面が、円形若しくは楕円形のホーン。 比較的指向性が狭いが、音響レンズを取り付けることにより指向性を広げることもできる。
ラジアルホーン	断面が長方形のホーン。 エンクロージャーなどに収めやすいが、周波数によって指向性が変化するのが難点。
セクトラル（マルチセルラ）ホーン	いくつかの小さいホーンを束ねたような形のホーン。 狭くなりがちな高音域の指向性を広げ、会場の隅々まで高音域の音を提供するために使用する。 体育館やアリーナなどでよく見られる。
定指向性ホーン	ラジアルホーンの形状を工夫（ホーンの途中で開口角度を変えるなど）して、周波数によって指向性が変化するという欠点を改善したもの。 形状によって、「マンタレーホーン」「ＣＤ（constant　directivity）ホーン」「バイラジアルホーン」などの種類がある。



右の写真は、Ｔｕｒｂｏｓｏｕｎｄ社の「ＴＭＳ−４」と言う３ウエイスピーカーシステムの中・高音域用のホーンです。
上側が高音域用で、ＣＤホーンです。下側のジェットエンジンの吸気口のようなホーンは中音域用です。
写真には写っていませんが、低音域用はフォールデッドホーンになっています。

このようにワンパッケージなっているシステムは、各ユニット間の位相差やバランスなどの心配をする必要がなく運搬や設置も容易ですが、異なる会場の規模や形状にあわせたスタッキングがやややりづらいと言えます。（たとえば指向性の狭い高音域を会場の各方向に向けようとすると、スピーカーを複数本用意し１本１本全体をそちらに向けなければならないなど・・・）
各帯域によって異なる形のエンクロージャーのシステムを組むか、このようなワンパッケージになっているシステムを選ぶか・・・　どちらも一長一短があり、選択が難しいですね。

ホールのスピーカー

絵心がないもんでへたくそな絵で恐縮ですが、これが一般的なホールのスピーカー構成です。エンクロージャーは客席のどの場所へも均一な音を供給するためにフロントロードホーン型がよく用いられます。さらに高域用に定指向性ホーンを組み合わせ、壁などの反射の影響を少なくし、客席の目的の場所に音が届くように工夫されているホールもあります。
プロセニアムスピーカーだけのホールもありますが、音像が上の方に定位してしまうため、サイドスピーカーがあると理想的です。
さらに舞台の框（かまち）部分に、小さなフロントスピーカーがあるホールや、客席の壁にウオールスピーカーなどがあるホールもあります。
一般的にホールのスピーカーは、スピーチなどに適するように考えられていますので、高い音圧や重低音を必要とするロックやポピュラーなどの音楽には不向きです。
なので、ほとんどのホールではこれらの常設スピーカーに加え、「ステージスピーカー」と言うスピーカーを用意してあります。
これは舞台の両サイドに仮設して使用する物で、比較的音圧が得られ周波数特性もよいスピーカーが使用されます。
さらにステージスピーカーは音像の定位を下げる働きもありますが、スピーカー直前のお客さんにもろに音圧が降りかかってしまいます。

プロのコンサートなどでは、ほとんどの場合スピーカーなどの機材は持ち込みです。ミュージシャンの求める音を出すためには、やはり専用のシステムが必要なのです。
このようにスピーカーを仮設するときには、スピーカーの転倒や、上に乗っているスピーカーが落下しないように「ラッシングベルト」と言うベルトで結束します。
小屋としては、さらにそのベルトを固定するための装置が舞台に設置されているのが理想的です。

フォールドバックスピーカー

スピーカーは、お客さんに音を提供するためだけのものではありません。
みなさんもカラオケなどで経験があると思いますが、伴奏や自分の声が聞こえないと非常に歌いづらいものです。
舞台上の出演者に伴奏や自分の声などを聞かせるためのスピーカーをモニター（フォールドバック）スピーカーと言います。
出演者の前に置く「コロガシ（けとばし）」や舞台サイドから舞台に向ける「サイドフィル」などがあります。
これは出演者に向けて音を出すために、当然ハウリング（スピーカーから出た音をマイクが拾ってしまい、ループができて「ピー」などの音がすること）の危険性が増しますので、グラフィックイコライザーなどを使用し細かい調整が必要です。



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