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電気力学的スピーカー ドライバーは、その種類が暗黙のうちに示されている場合は単にスピーカー ドライバーと呼ばれることが多く、電気オーディオ信号を音波に変換する個々のトランスデューサーです。この用語はスピーカー(ラウドスピーカー) という用語と互換的に使用されることもありますが、通常は可聴周波数範囲の一部のみを再生する特殊なトランスデューサー、またはラウドスピーカー キャビネット (または単に「スピーカー」) 内の 1 つ以上のドライバーに適用されます。高忠実度のサウンド再生のために、多くの場合、複数のラウドスピーカーが同じエンクロージャーに取り付けられ、それぞれが可聴周波数範囲の異なる部分を再生します。この場合、個々のスピーカーはドライバーと呼ばれ、ユニット全体がラウドスピーカーと呼ばれます。高オーディオ周波数を再生するためのドライバーはツイーター、中周波数用のドライバーはミッドレンジドライバー (あまり一般的ではありませんが、スクワーカーとも呼ばれます)、低周波数用のドライバーはウーファー、超低音域用のドライバーはサブウーファーと呼ばれます。あまり一般的ではないタイプのドライバーには、スーパートゥイーターとロータリー ウーファーがあります。
スピーカーで電流を音波に変換するために最も広く使用されている電気音響機構は、1925年にエドワード・W・ケロッグとチェスター・W・ライスによって発明されたダイナミックドライバーまたは電気力学的ドライバーで、磁石の極の間に吊り下げられたボイスコイルと呼ばれるコイルで音を生成します。その他にも、 静電ドライバー、圧電ドライバー、 平面磁気ドライバー、ハイル空気運動ドライバー、イオンドライバーなど、あまり広く使用されていないスピーカー設計があります。[ 1 ]
最も一般的なタイプのドライバーは、一般的にダイナミック型スピーカーと呼ばれ、軽量の振動板（コーン）を、柔軟なサスペンション（一般的にスパイダーと呼ばれる）を介して剛性のバスケット（フレーム）に接続し、ボイスコイルが円筒形の磁気ギャップ内を軸方向に移動するように拘束します。コーンの中央に接着された保護ダストキャップは、埃、特に強磁性体の破片がギャップ内に侵入するのを防ぎます。
ボイスコイルに電気信号が印加されると、ボイスコイル内の電流によって磁場が発生し、ボイスコイルは可変電磁石として機能します。コイルとドライバーの磁気システムはソレノイドと同様の相互作用を起こし、コイル（およびそれに接続されたコーン）を動かす機械的な力を発生させます。交流電流を印加すると、コーンが前後に動き、アンプから送られる電気信号の制御下で音を加速・再生します。
以下は、このタイプのスピーカーを構成する各部品の説明です。
振動板は通常、円錐形またはドーム形の形状で製造されます。さまざまな材料が使用できますが、最も一般的なのは紙、プラスチック、金属です。理想的な材料は、コーンが制御不能な動きをしないように剛性があり、始動に必要な力とエネルギー蓄積の問題を最小限に抑えるために質量が小さく、使用状況によって決まる共振周波数により、信号が停止した後も振動が継続し、可聴リンギングがほとんどまたはまったくないように減衰が良好です。実際には、これら 3 つの基準すべてを既存の材料で同時に満たすことはできません。したがって、ドライバーの設計にはトレードオフが伴います。たとえば、紙は軽く、通常は減衰が良好ですが、剛性がありません。金属は剛性があり軽い場合がありますが、通常は減衰が劣ります。プラスチックは軽くすることができますが、一般的に、剛性が高くなるほど減衰が悪くなります。その結果、多くのコーンは何らかの複合材料で作られています。たとえば、コーンはセルロース紙で作られ、そこに炭素繊維、ケブラー、ガラス、麻、または竹繊維が添加されている場合があります。あるいは、ハニカムサンドイッチ構造を採用したり、追加の剛性や減衰効果を与えるためにコーティングを施したりすることもある。
シャーシ、フレーム、またはバスケットは剛性が高く設計されており、マグネットギャップとの重要な位置合わせが変わるような変形を防ぎ、ボイスコイルがギャップ周辺のマグネットに擦れるのを防ぎます。シャーシは通常、重いマグネット構造のスピーカーではアルミニウム合金から鋳造され、軽量構造のドライバーでは薄い鋼板からプレス加工されます。 [ 2 ]成形プラスチックや制振プラスチック複合バスケットなどの他の材料も、特に安価で軽量なドライバーで一般的になりつつあります。金属製のシャーシは、ボイスコイルから熱を逃がす上で重要な役割を果たすことができます。動作中の加熱は抵抗を変化させ、物理的な寸法変化を引き起こし、極端な場合はボイスコイルのワニスを焼き、永久磁石を消磁することさえあります。
サスペンションシステムは、コイルをギャップの中心に保ち、移動後にコーンをニュートラルな位置に戻す復元力（センタリング力）を提供します。一般的なサスペンションシステムは、2 つの部品で構成されています。1 つは、振動板またはボイスコイルを下部フレームに接続し、復元力の大部分を提供するスパイダー、もう1 つは、コイル/コーンアセンブリをセンタリングし、磁気ギャップに沿ってピストン運動を自由に行えるようにするサラウンドです。スパイダーは通常、硬化樹脂を含浸させた波状の布製ディスクでできています。その名前は、初期のサスペンションの形状に由来しており、ベークライト製の 2 つの同心円状のリングが 6 つまたは 8 つの湾曲した脚で接続されていました。このトポロジーのバリエーションには、ボイスコイルが擦れる原因となる可能性のある粒子に対するバリアとしてフェルト ディスクを追加するものがありました。
コーンの周囲は、ゴムやポリエステルフォーム、加工紙、または樹脂コーティングされた波状の布地のリングなどで構成され、コーンの外周と上部フレームの両方に取り付けられます。これらの多様な周囲素材、形状、および処理方法は、ドライバーの音響出力に大きな影響を与えます。それぞれの方法には長所と短所があります。例えば、ポリエステルフォームは軽量で経済的ですが、通常はある程度空気が漏れ、時間経過、オゾン、紫外線、湿度、高温への曝露によって劣化するため、故障するまでの耐用年数が限られます。
ボイスコイルのワイヤーは通常銅でできていますが、アルミニウム、まれに銀が使用されることもあります。アルミニウムの利点は軽量であるため、銅に比べて可動質量が小さくなることです。これによりスピーカーの共振周波数が上がり、効率が向上します。アルミニウムの欠点は、はんだ付けが容易ではないため、接続部をしっかりと圧着して密閉する必要があることです。ボイスコイルのワイヤーの断面は円形、長方形、または六角形にすることができ、磁気ギャップ空間におけるワイヤーの体積被覆率が異なります。コイルはギャップ内で同軸に配置され、磁気構造内の小さな円形の体積（穴、スロット、または溝）内で前後に動きます。ギャップは永久磁石の2つの極の間に集中した磁場を形成します。ギャップの外側のリングが一方の極で、中央の支柱（ポールピースと呼ばれる）がもう一方の極です。ポールピースとバックプレートは、ポールプレートまたはヨークと呼ばれる一体型部品として作られることがよくあります。
設計目標に応じて、磁石のサイズや種類、磁気回路の詳細は異なります。例えば、ポールピースの形状はボイスコイルと磁場間の磁気相互作用に影響を与え、ドライバーの動作を変更するために使用されることがあります。ショートリング、またはファラデーループは、ポールの先端に取り付けられた薄い銅製のキャップとして、あるいは磁石とポールの間の空洞内に配置された重いリングとして組み込まれることがあります。この複雑な構造の利点は、高周波でのインピーダンスが低減され、高音域の出力が拡張され、高調波歪みが低減され、通常、大きなボイスコイルの振幅に伴うインダクタンス変調が低減されることです。一方、銅製のキャップはボイスコイル間のギャップを広げる必要があり、磁気抵抗が増加するため、利用可能な磁束が減少し、同等の性能を得るにはより大きな磁石が必要になります。
電磁石は1950年代まで楽器用アンプのキャビネットによく使われていました。真空管アンプの場合、フィールドコイルが電源チョークとしても機能し、コスト削減につながったためです。初期の設計では一般的だった、電気駆動のフィールドコイルを備えた電磁式スピーカーを現在も製造しているメーカーはごくわずかです。
アルミニウム、ニッケル、コバルトの合金であるアルニコは、フィールドコイル駆動の問題を解消したため、第二次世界大戦後に普及しました。アルニコ磁石は部分的に減磁するという問題があったにもかかわらず、1960年代まで広く使用されていました。 [ 3 ] 1960年代には、ほとんどの駆動装置メーカーがアルニコからフェライト磁石に切り替えました。フェライト磁石は、セラミック粘土とバリウムまたはストロンチウムフェライトの微粒子の混合物から作られています。これらのセラミック磁石のキログラムあたりのエネルギーはアルニコよりも低いですが、大幅に安価であるため、設計者はより大きく経済的な磁石を使用して所定の性能を達成できます。輸送コストの増加と、より小型で軽量なデバイスへの要望により、ネオジムやサマリウムコバルトなどの材料で作られた、よりコンパクトな希土類磁石を使用する傾向が見られます。[ 4 ]
スピーカーのドライバーには、前面の空気柱に圧力波を発生させるために前後に動く振動板があり、用途によっては側面にもある程度の角度で振動板が動きます。振動板は通常、低域および中域周波数では円錐形、高域周波数ではドーム形、またはあまり一般的ではありませんがリボン形をしており、通常はコーティングまたはコーティングされていない紙、あるいはポリプロピレンプラスチックで作られています。[ 5 ]一部のドライバーでは、織り込まれたグラスファイバー、カーボンファイバー、アルミニウム、チタン、純粋なクロスカーボンなどのより特殊な材料が使用されており、ごく少数のドライバーでは、コーン、ドーム、またはラジエーターとしてPEI、ポリイミド、PETフィルムプラスチックフィルムが使用されています。
すべてのスピーカーユニットには、電気的に往復運動を誘発する機構が備わっています。一般的には、ユニットのコーンのネック部分に絶縁されたワイヤーを密に巻いたコイル（ボイスコイルと呼ばれる）が取り付けられています。リボンスピーカーの場合、ボイスコイルは非常に薄い紙、アルミニウム、グラスファイバー、またはプラスチックのシートに印刷または接着されていることがあります。このコーン、ドーム、またはその他の放射体は、外縁部で柔軟なサラウンドによって剛性のフレームに取り付けられ、そのフレームはボイスコイルのすぐ近くに永久磁石を支えています。効率性を高めるため、比較的軽量なボイスコイルとコーンがユニットの可動部となり、はるかに重い磁石は固定されています。その他の一般的な構成部品としては、リアサスペンション要素として使用されるスパイダーまたはダンパー、オーディオ信号を接続するためのシンプルな端子またはバインディングポスト、そしてシャーシとエンクロージャーの接合部を密閉するための柔軟なガスケットなどがあります。
ドライバーはほぼ例外なく、木材、プラスチック、あるいは場合によっては金属製の頑丈な筐体に取り付けられています。このスピーカー筐体（スピーカーボックス）は、コーン前面からの音響エネルギーと背面からの音響エネルギーを分離します。効率と指向性を高めるためにホーンが使用されることもあります。ドライバーとハードウェアを外観上隠し、ドライバーを物理的な損傷から保護するために、グリル、布メッシュ、またはその他の音響的に中立なスクリーンが一般的に設けられています。
動作時には、アンプからスピーカーケーブル、そしてフレキシブルなティンセルワイヤーを通して、電気配線によって信号がボイスコイルに送られます。電流によって磁場が発生し、ボイスコイルを流れる電流によって生じる磁場と、固定磁石構造によって磁気ギャップに形成される磁場が電気信号の変化に応じて交互に作用し、振動板が左右に振動します。この振動板の前後運動によって振動板前面の空気が振動し、圧力差が生じて音波として伝わります。
スパイダーとサラウンドは、工場でドライバーが組み立てられた際に確立されたバランス位置からずれた場合に、バネの復元機構として機能します。さらに、それぞれがボイスコイルとコーンを磁石アセンブリ内で同心円状に、そして前後方向にセンタリングするのに貢献し、ボイスコイルを磁気ギャップ内の重要な位置に復元し、どちらかの端に偏らないようにします。
ボイスコイルとマグネットは、基本的にスパイダーとサラウンドのセンタリング「バネ張力」に抗して働くリニアモーターを形成します。スパイダーとサラウンドによって移動距離に制限がなければ、高出力レベルでボイスコイルがマグネットアセンブリから飛び出したり、マグネットアセンブリの背面と衝突するほど深く内側に移動したりする可能性があります。ほとんどのスピーカードライバーは、スパイダーとサラウンドのセンタリング力に抗してのみ動作し、ドライバー要素の位置を積極的に監視したり、正確に位置決めしようとしたりしません。一部のスピーカードライバー設計には、そうするための機構（通常はサーボ機構と呼ばれる）が備わっています。これらは、再生する音の一部（おそらく100Hz以下の低音周波数など）の波長よりもはるかに小さいコーンサイズを持つドライバーで、これらの周波数で必要となるコーンの振幅が大幅に増加するため、一般的にウーファー、特にサブウーファーでのみ使用されます。
スピーカーのドライバーは、広い周波数範囲または狭い周波数範囲で動作するように設計されている場合があります。小さな振動板は、良好な低周波数応答に必要な大量の空気を動かすのに適していません。逆に、大きなドライバーは、非常に高い周波数で動く能力を制限する重いボイスコイルとコーンを備えている場合があります。設計限界を超えて使用されるドライバーは、歪みが大きくなる可能性があります。マルチウェイラウドスピーカーシステムでは、特定の周波数範囲を生成するために専用のドライバーが用意され、入力信号はクロスオーバーによって分割されます。ドライバーは、フルレンジ、ツイーター、スーパートゥイーター、ミッドレンジドライバー、ウーファー、サブウーファーなど、いくつかのタイプに分類できます。
エクスカーションとは、スピーカーのコーンが静止位置から直線的に移動する距離のことです。低周波ドライバーやサブウーファーは、高周波を再生するドライバーよりも多くの空気を動かすように設計されており、エクスカーションも大きくなります。スピーカーが限界を超えて駆動されると、ボイスコイルが磁気ギャップから外れたり、ギャップの底に当たったりして、オーバーエクスカーション（底付き）が発生する可能性があります。
MTX Jackhammerは、22インチのサブウーファーで、 片方向で2.5インチの直線的なコーンの振幅が可能です。
Thunder 1000000は、直径60インチの実験的なサブウーファーで、片方向のコーンの振幅 が3インチまで可能です。
スピーカーユニットは、音を再生するための主要な手段です。スピーカー、ヘッドホン、電話、メガホン、楽器用アンプ、テレビやモニタースピーカー、拡声装置、携帯ラジオ、おもちゃなど、オーディオ機器の様々な場所で使用されており、音を発するように設計された多くの電子機器にも用いられています。