ダイナミックスピーカーの電気的特性

スピーカーの可動システム（コーン、コーンサスペンション、スパイダー、ボイスコイルから構成される）は、有効質量（ばね-質量系）、すなわちばねで吊り下げられた質量としてモデル化できる。このシステムは、固有の質量と剛性を持ち、システムが自由に振動する共振周波数を持つ。

この周波数はスピーカーの自由空間共振周波数として知られており、 F_{_s}で表されます。この周波数では、ボイスコイルはスピーカーの磁場内で最大振幅と最大速度で振動します。この振動によって発生する逆起電力も最大になります。スピーカーの電気インピーダンスは逆起電力、ひいては印加周波数によって変化します。インピーダンスはF_{_s}で最大となり、グラフではZ_{_maxとして示されています。}

共振周波数直下の周波数では、インピーダンスは周波数がF _sに近づくにつれて急速に上昇し、誘導性を示します。共振周波数では、インピーダンスは純粋に抵抗性です。周波数がF _{sを超えると、インピーダンスは低下し、}容量性を示します。インピーダンスは、ある周波数で最小値Z _{minに達し、その周波数範囲では}抵抗性がほぼ一定になります。スピーカーの定格インピーダンス、または公称インピーダンス ( Z _nom ) は、このZ _min値から導出され、後述します。

Z _min点を超えると、インピーダンスは再び大部分が誘導性となり、周波数とともに徐々に上昇し続けます。周波数F _{sと、インピーダンスが}1 / √ 2 Z _maxとなる周波数の上下は、スピーカーのT/Sパラメータを決定する上で重要です。これらは、例えば、ドライバー、特に低周波ドライバーに適したエンクロージャーを設計するために使用できます。実際、F _s自体がティーレ/スモールパラメータの1つです。

これはインピーダンスと周波数の関係における最小値であり、常にボイスコイルの直流抵抗（オームメーターで測定した場合）よりも高くなります。最小インピーダンスは重要です。なぜなら、インピーダンスが低いほど、同じ駆動電圧でより大きな電流が必要になるからです。アンプの出力デバイスは一定の最大電流レベルまで定格されており、これを超えると、デバイスは多かれ少なかれ速やかに故障することがあります。

スピーカーのインピーダンスは可聴帯域の周波数範囲で変動するため、インピーダンス定格を単一の値で表すことは原理的に不可能です。これは、図に示すインピーダンス対周波数曲線からも推測できます。スピーカーの公称インピーダンスは、可聴帯域の大部分におけるスピーカーのインピーダンス値を大まかに示す便利な単一の数値です。スピーカーの公称インピーダンスは次のように定義されます。

${\displaystyle Z_{\mathrm {nom} }=1.15\cdot Z_{\mathrm {min} }}$

このグラフは、自由空間（エンクロージャーに取り付けられていない状態）にある単一のスピーカーユニットのインピーダンス曲線を示しています。家庭用ハイファイ・スピーカーシステムは通常、2つ以上のドライバー、周波数帯域ごとに信号を分割して各ドライバーに適切に分配する電気クロスオーバーネットワーク、そしてこれらのコンポーネントすべてを収めるエンクロージャーで構成されています。このようなシステムのインピーダンス曲線は非常に複雑になる可能性があり、上記の単純な式はそのまま適用できません。

家庭用スピーカーシステムの公称インピーダンス定格は、特定のアンプに適したスピーカーを選択する際（またはその逆）に役立ちます。家庭用ハイファイアンプが8Ω以上の負荷を指定している場合、アンプが設計上の許容電流を超える電流を供給しなければならない可能性があるため、インピーダンスの低いスピーカーを使用しないように注意する必要があります。8Ω以上の負荷を指定するアンプに4Ωのスピーカーシステムを使用すると、アンプが故障する可能性があります。

負荷のインピーダンスが周波数によって変化すると、アンプの電圧出力と電流出力の位相関係も変化します。抵抗負荷の場合、通常（常にではありませんが）、負荷電流が最小のとき（かつ負荷電圧が最小のとき）にアンプの出力デバイスにかかる電圧が最大になり、その逆もまた同様です。結果として、これらのデバイスでの電力損失は最小になります。しかし、ドライバー/クロスオーバー負荷の複雑で変動的な性質と、それが電圧と電流の位相関係に与える影響により、出力デバイスにかかる電圧が最大になったときに電流が必ずしも最小になるとは限りません。その結果、アンプの出力段での電力損失が増加し、出力デバイスの発熱として現れます。位相角は、ムービングコイル型スピーカーの共振付近で最も大きく変化します。アンプの設計時にこの点を考慮しないと、アンプが過熱してシャットダウンしたり、出力デバイスが故障したりする可能性があります。詳しくは「力率」を参照してください。 

スピーカーは、コイルが磁場内で動くときに発電機として機能します。アンプからの信号に応じてスピーカーのコイルが動くと、コイルは逆起電力を発生させ、アンプの信号とコイルの動きの両方に抵抗します。この制動効果はスピーカー設計において非常に重要であり、設計者はこの効果を利用して、スピーカーが音を素早く停止し、コイルが次の音を再生できる位置に戻るようにします。コイルによって生成された電気信号は、スピーカーケーブルを通ってアンプに戻ります。適切に設計されたアンプは出力インピーダンスが低いため、この生成された信号がアンプに与える影響は最小限に抑えられます。

一般的に、ソリッドステートアンプは真空管アンプに比べて出力インピーダンスがはるかに低い。そのため、公称インピーダンス16Ωのドライバーと4Ωのドライバーの実際のインピーダンス差は、調整するほど重要ではない。アンプのダンピングファクター（公称負荷インピーダンス（ドライバーボイスコイル）とアンプの出力インピーダンスの比）は、どちらの場合も適切に設計されたソリッドステートアンプであれば十分である。

真空管アンプは出力インピーダンスが十分に高いため、通常はドライバーのインピーダンスに適切にマッチさせるためにマルチタップ出力トランスが内蔵されています。16Ωのドライバー（またはスピーカーシステム）は16Ωタップに、8Ωのドライバーは8Ωタップに接続するなどといった具合です。

これは重要な点です。なぜなら、特定の周波数におけるスピーカーのインピーダンスとアンプのインピーダンスの比率は、ドライバーによって発生する逆起電力に対する減衰（すなわちエネルギー吸収）を提供するからです。実際には、これはリンギングやオーバーハングを防ぐために重要です。リンギングやオーバーハングとは、基本的に、その周波数でドライバーが励振（すなわち信号で駆動）されたときに、ドライバー内の可動構造が自由振動する現象です。これはウォーターフォール測定プロットで明確に確認できます。適切に調整された減衰係数は、この可動構造の自由振動を制御し、ドライバーの音質を向上させることができます。