ホーンスピーカー

ホーンスピーカーは、音響ホーンを使用して駆動要素の全体的な効率を高めるスピーカーまたはスピーカー要素です。一般的な形式(右)は、電磁石によって振動する小さな金属振動板で音波を生成するコンプレッションドライバーと、音波を外気に導くフレアダクトで構成されています。別のタイプは、ウーファードライバーがスピーカーエンクロージャーに取り付けられ、内部の仕切りで区切られてジグザグのフレアダクトを形成し、ホーンとして機能するものです。このタイプは、折り畳み式ホーンスピーカーと呼ばれます。ホーンは、スピーカードライバーと空気の間の結合効率を向上させる役割を果たします。ホーンは、比較的密度の高い振動板材料と密度の低い空気の間のインピーダンス整合を提供する「音響トランス」と考えることができます。その結果、特定のドライバーからの音響出力が大きくなります。^[1]

ドライバーに隣接するホーンの狭い部分は「スロート」と呼ばれ、ドライバーから最も遠い大きな部分は「マウス」と呼ばれます。^[1]ホーンの角度範囲 (放射パターン) は、マウスの形状とフレアによって決まります。ホーンスピーカーの主な問題は、放射パターンが周波数によって変化することです。高周波音は狭いビームで放射され、軸外性能が悪くなります。^{[2] 1975年に}ドン・キール によって発明された「定指向性」ホーンを皮切りに、大幅な改良が行われました。

ホーンスピーカーの主な利点は、効率が高いことです。通常、一定のアンプ出力からコーンスピーカーの約10倍^{[3] : p.30} (10 dB ) ^{[4] [5] [6]の音響パワーを生成できます。そのため、ホーンは}拡声システム、メガホン、劇場、講堂、スポーツスタジアムなどの大規模な会場のサウンドシステムに広く使用されています。欠点は、共振ピークのために周波数応答が不均一になることと、ホーンにはカットオフ周波数があり、それ以下では応答が低下することです。(カットオフ周波数は、ホーンの口の円周に等しい波長に対応します。^[7] ) 低音域で適切な応答を得るには、ホーンスピーカーは非常に大きくて扱いにくいため、中音域や高音域に使用されることの方が多いです。20世紀初頭に導入された最初の実用的なスピーカーは、ホーンスピーカーでした。近年、周波数応答がより平坦になることもあるコーン型スピーカーが開発され、また安価なアンプ電源が利用できるようになったため、高忠実度オーディオ システムにおけるホーン型スピーカーの使用は、ここ数十年で減少しています。

音響ホーンは、小さな変位面積での大きな圧力変動を、大きな変位面積での低い圧力変動に変換し、その逆も行います。これは、ホーンの断面積を徐々に、多くの場合は指数関数的に増加させることによって行われます。スロートの断面積が小さいと空気の通路が制限され、ドライバーに対して高い音響インピーダンスが提供されます。これにより、ドライバーは所定の変位に対して高い圧力を発生させることができます。したがって、スロートでの音波は高圧で変位は低くなります。ホーンのテーパー形状により、音波は徐々に減圧され、変位が増加し、口に到達して低圧で大きな変位になります。^[8]

ホーンの動作に関する物理学（および数学）は長年かけて開発され、第二次世界大戦前にはかなり高度なものとなっていった。最もよく知られた初期のホーンスピーカーは機械式蓄音機のもので、レコードが重金属の針を動かし、それがホーンの駆動装置として働く小さな金属振動板の振動を励起する。有名な例としては、 RCA の犬のニッパーが「主人の声」を聞いたホーンがある。ホーンは負荷を改善し、振動板から空気へのエネルギーの「結合」を改善し、音量が拡大して音がホーンを伝わるにつれて圧力の変動が小さくなる。この種の機械的なインピーダンス整合は、電気化以前の音響再生の時代には、実用的な音量レベルを達成するために絶対に必要だった。^[9]

メガホンは紙などの柔軟な素材でできた単純な円錐形で、最も古くて単純な音響ホーンです。拡声器が登場する以前は、機械式蓄音機や人間の声用の受動音響増幅器として使われていました。現在でもチアリーダーやライフガードによって使用されています。円錐断面の形状は放射音の完全な球体の一部を表すため、円錐では波面の位相や振幅の歪みがありません。^[2] 蓄音機や拡声器で使われる小さなメガホンは、音楽の低周波を再生できるほど長くありませんでした。カットオフ周波数が高く、音のスペクトルの低い2オクターブを減衰させ、メガホンに特徴的な金属音を与えていました。^[2]

指数関数型ホーンは音響負荷特性を持ち、スピーカードライバーがその周波数範囲にわたって出力レベルを均等にバランスさせることができます。この設計の利点は、1924 年に CR Hanna と J. Slepian によってアメリカ電気技術者協会(AIEE) で初めて発表されました。^[11]指数関数型ホーンの大きな欠点は、周波数が増加するにつれて放射パターンが狭くなるため、軸上では高周波の「ビーム」が発生し、軸外では音が鈍くなることです。^[2]もう 1 つの懸念は、高周波で高い効率を得るには直径の小さいスロートが必要ですが、低周波には大きいスロートが最適であることです。一般的な解決策は、選択した周波数範囲で最高のパフォーマンスを発揮できるように、適切なスロート サイズ、マウス サイズ、フレア レートを持つ 2 つ以上のホーンを使用し、周波数範囲間で十分なオーバーラップを持たせて、ホーン間のスムーズな移行を実現することです。 1930年代後半にRCAのハリー・F・オルソンが試みた別の解決策は、次第に大きくなるホーンを直列に接続するか、単一のホーンの内部を細分化することで、複数の指数関数的なフレア率を使用するというものだった。^[12]指数関数的なホーンは、一部の設計者や一部のアプリケーションで引き続き使用されている。^[13]

通常は指数関数的な対称形の狭い拡散角を持つホーンを多数組み合わせて、単一のドライバーで駆動するアレイにすると、マルチセル ホーンを製造できます。1936 年にWestern Electricの Edward C. Wente が特許を取得した^[14]マルチセル ホーン は、高周波での指向性の問題を解決するために 1933 年以来スピーカーに使用されており、優れた低周波負荷を提供します。その指向性制御は、対象周波数範囲の中央で垂直方向と水平方向の両方にビームし始め、高周波ではさらに狭くなり^[2]、ローブ間のレベル変化は最大10 dBになります。 ^{[15]マルチセル ホーンは複雑で製造が困難なため、関連コストが高くなります。欠点はあるものの、音質が非常に優れていたため、長年にわたって}拡声用途で使用されてきました。優れた設計であれば、今でも音質は優れています。^[16]革命的な同軸ドライバーであるアルテック・ランシング・デュプレックス601と604は、1943年から1998年まで高周波コンポーネントにマルチセルホーンを使用していました。^[17]

ラジアルホーンには、指数関数的なフレア率に基づいた2つの表面と、出力パターンを決定する2つの直線壁があります。ラジアルホーンは、指数関数的なホーンのビームの一部を示しています。^[2] Altec のセクターホーンは、パターン制御の目的でホーンの口に羽根が配置されたラジアルホーンでした。スピーカーキャビネットへの取り付けを容易にするために、フラットフロントラジアルホーンが使用されてきました。たとえば、Community の SQ 90 高周波ホーンがそうです。^[18] JBLの回折ホーンまたは「スミス」ホーンは、ラジアルデザインのバリエーションであり、口の垂直寸法が非常に小さいラジアルホーンの口の垂直寸法が大きい中音域の水平ビームを回避する方法です。

回折ホーンは、その広い水平分散パターンの恩恵を受けるモニター設計や近距離拡声用途で人気があります。^[15]直感に反して、狭い垂直寸法は、狭い垂直寸法に等しい波長の周波数に対して90°に近づく拡張垂直出力パターンを提供しました。^[16]回折ホーンの非常に小型バージョンは、1991年にJBLモデル2405H超高周波トランスデューサーに設計され、20kHzで90° x 35°の出力パターンを生み出しました。^[19]

トラクトリックスホーンは多くの点で指数ホーンに非常に似ており、DIYホーン愛好家、オーディオマニア、一部のメーカーの間で支持を得ています。^[20]トラクトリックス ホーンは、ホーンの内側の曲線上の任意の点への接線が、設定された長さの線分でホーンの中心軸に達すると仮定して導出された曲線式を使用します。口の部分では、接線部分は軸に対して垂直になり、口の半径を表します。このホーンのコンセプトは、1920 年代半ばにポール GAH フォイグトによって研究され、1927 年に特許を取得しました。^[21]トラクトリックス ホーンのサイズは、口の直径を決定する低周波の「カットオフ」または制限を指定することによって生成されます。^[20]指数ホーンに対する 2 つの漸進的な改善には、低周波拡張のサポートがわずかに改善され、高周波カバレッジ パターンがいくらか広くなったことが含まれます。^[20]

1975 年 5 月、^[22]に、周波数によってビーム幅が変化する問題を解決するため、エレクトロボイス社のD. Broadus "Don" Keele, Jr.は、喉部付近で指数関数的に膨張し、その後に円錐状の膨張部が続き、口元で急速に広がるフランジで終わるハイブリッドホーンを発表しました。^[23]口元のフランジにより、高周波数でのロービングに関する残っていた問題がいくつか解決されました。^[16] Don Keele は、設計の 1 つのバージョンで、拡声目的に適したパターン制御のために、より広い水平方向のフレアを指定しました。Keele の論文^[24]では、口元の大きさ、周波数、カバー角度の関係が示され、ホーン設計の今後の多くの開発の基礎となりました。^[16]一定指向性ホーンで見つかった 1 つの問題は、水平方向のカバー パターンを狭めると、垂直方向のカバー パターンが小さくなりすぎて役に立たなくなることです。^[2]

Keele の研究に続き、彼の原理を用いて、 Altec のClifford A. Henricksenと Mark S. Ureda は、定指向性の特性を示す、著しく異なるハイブリッドホーン、水平回折ホーン、または「Mantaray」ホーンを設計しました。^{[25] [26]} Mantaray ホーンは、必要な垂直カバレッジパターンを水平から分離し、さまざまなカバレッジパターンのホーンを設計することを可能にします。Mantaray の形状は、垂直方向の JBL スタイルの回折ホーンから始まり、円錐形の導波管(初期の設計)、または 4 つの平面の側面を持つ正方形または長方形のホーンへと続きます。^[27]中音域のビーム制御のために、外側の開口部は、Keele スタイルの短いフレアフランジ、またはより大きなフレア角度の平面側面を追加してさらに拡張されます。低周波効率は、定指向性設計ほど顕著ではありません。^[25]以前の設計とは異なり、パターン分散の焦点である見かけの頂点^[28]はすべての周波数で同じではなく、球状ではなく楕円形の波面を形成します。このため、マンタレイは1つの平面（複数の平面ではなく）にのみ適切に配列できます。フレア率の急激な変化により、回折、反射、歪み成分が発生します。^[2]

1980年までにキールはJBLに移り、自身の設計とアルテックの設計をさらに進めた。彼はJBLスタイルの回折ホーンと、2つのラジアル式から導き出された指数関数的に湾曲した側面を持つ二次ホーンを組み合わせ、急激な角度変化に伴う歪み成分のないハイブリッド定指向性ホーンを開発した。^[25]市場は、JBLモデル4430スタジオモニターや、しばしば「バットチーク」と呼ばれる100°×100°モデル2344バイラジアル高周波ホーンなどの製品でこの設計に好意的に反応した。^[30]バイラジアル設計は、マンタレイと同様に、見かけの頂点とアレイ可能性に問題があった。^[2]

パナソニック株式会社のプロオーディオ部門であるラムサは、マンタレイの登場直後にツインベッセル定指向性ホーンを発表しました。その設計はマンタレイやバイラジアルと非常に似ていますが、セカンダリホーンセクションのフレア率を決定するためにデュアルシリーズベッセル拡張式を使用しました。^[31]

最も一般的な定指向性ホーン（CDホーンとも呼ばれる）は、非球面波面、アレイ化の制限、高音圧レベルでの歪み、回折スロットから二次ホーンへの移行に関連する反射と歪みなどの問題を抱えています。^[2]これらのホーンは、波長がスロートの幅または回折スロットの幅に近づく高周波数で分散パターンが狭くなる傾向があります。^[15]

CD ホーンの高周波数はカバー範囲に広く広がっているため、他のホーンに比べて減衰しているように見えます。CD ホーンでは、ニュートラルでバランスのとれたサウンドにするために、オクターブあたり約6 dBのイコライゼーションブースト^[32]と、2 ～4 kHz ^{[33] (ホーンの設計によって異なります) を中心とするフィルター ニーが必要です。アクティブ電子}オーディオ クロスオーバーのほとんどのメーカーは、オプションの CD EQ ブースト フィルターまたは高周波数シェルフ フィルターを追加することでこの要件に対応しました。たとえば、BSS の FDS-310 ^[34]クロスオーバーやRaneのAC 22S ^[35]および AC 23B ^[36]クロスオーバーでは、このような回路が内部ジャンパー リンク経由で提供されていました。Rane は、AC 24 クロスオーバーで周波数範囲をスイープできる CD ホーン イコライゼーションを使用して、2 つのバンドパス (「高中音域」と「高音域」) のフロント パネル制御を強化しました。^[37] DSPベースのクロスオーバーでは、フィルタリングプロセスのさらなる改良が可能です。

2019年12月にボイスコイルの記事^[38]で初めて発表され、その後2020年6月の第148回AESコンベンション^[39]で、ダリオ・シナニは新しいホーンファミリーを発表しました。

^{2006年からSpeakerLAB Horn.ell.a [40]}ソフトウェアですでに使用されているHCDアルゴリズムは、あらゆる拡張ホーン（指数関数、双曲正弦、双曲余弦、カテノイド、トラクトリックス、球状、または新しい拡張）を一定指向性ホーンに変換します。

HCD により、元の拡張と同じ音響負荷を維持できます。HCD アルゴリズムは、CD ホーン、または一般的にはマルチフレア ホーンと比較して反射を減らし、高音圧レベルでの歪みを低く抑えます。

ラジアルホーンと同様に、HCD は 1 つの平面上で一定の指向性を提供します。具体的には、ホーンの口の長軸に沿った平面上で漸進的に一定の指向性を提供します。この漸進性は、選択した口の比率によって異なります。口の短軸に沿った平面上では、円形の口のホーンと同等の指向性輪郭が得られます (同じ拡張を使用)。

1996年、レンカス・ハインツ社のラルフ・D・ハインツは、高音と中音の2つのバンドパス用に複数のドライバーを組み込んだマルチエントリーホーンの特許を取得しました。これらの音波はすべて1つのホーンから出ますが、バンドパスに応じて異なる距離で出ます。これは「CoEntrant」ホーンとして販売されました。^[41]レンカス・ハインツのST/STX製品ラインの中音域と高音域のドライバーは両方とも「Complex Conic」導波管から出ます。^[42] 1990年代後半、 Sound Physics Labsのトーマス・J・「トム」・ダンリーは3ウェイマルチエントリーホーンの開発に着手し、2000年にSPL-td1を市場に投入しました。^[43]この設計では7つのドライバーが使用され、ホーンの喉部に1つの高音域ドライバー、喉部近くに4つの中音域ドライバー、ホーンの口の近くに2つの低音域ドライバーが配置されました。 2001年、トム・ダンリーはヨークビル・サウンド社向けに「ユニティ」ホーンの開発を開始し、2002年にその改良の特許を取得しました。 ^[44] 2003年にヨークビルのユニティラインが発売された後、^[45]ダンリーはダンリー・サウンド・ラボを設立し、SPL-td1を大幅に改良した「シナジー」ホーンを開発しました。これにより、位相と振幅の応答が大幅に改善され、極性パターンもより滑らかになりました。シナジーホーンの設計により、より小型のスピーカー筐体からより大きな出力が得られました。^[46]この設計では、クロスオーバー領域と全帯域幅の広い範囲にわたってパターン制御が維持され、設計の音響中心が筐体の背面近くにあるため、拡声用途のアレイに組み合わせるのがより簡単です。^[47]

「導波管」という用語は、円錐形、正方形、扁平球形、楕円円筒形のホーンなど、音響負荷が低いホーンを表すために使用されます。これらは、音響負荷を改善して効率を上げるというよりも、放射パターンを制御するように設計されています。すべてのホーンにはパターン制御機能があり、すべての導波管はある程度の音響負荷を提供するため、導波管とホーンの違いは判断の問題です。^[48]

1999年、ピーヴィー・エレクトロニクス社のチャーリー・ヒューズは、ハイブリッドホーン「Quadratic-Throat Waveguide」の特許を申請した。^[49]このホーンは基本的に単純な円錐断面だが、スピーカードライバーに正しくかみ合うように、その喉部が円弧状に湾曲している。ホーンの口径をフレアで大きくして中音域のビームを制御する代わりに、口の端を覆う比較的薄いフォーム層が同じ端に適していることがわかった。QTウェーブガイドは、一般的なCDホーンと比較すると、すべての周波数で第2高調波歪みが約3～4 dB低く、より厄介な第3高調波歪みが平均9 dB低い。回折スロットがないため、QTウェーブガイドは見かけの頂点の問題がなく、必要に応じて拡声用に配列できる。^[2]

扁平球状導波管（OSWG）ホーン設計は、1kHz以上の指向性パターン制御を改善し、中音域ドライバーとのマッチングを高めるために指向性の周波数を低くし、発明者のアール・ゲデス博士が主張するように、位相と振幅の歪みの一種である高次モードを軽減します。ホーンの長さの実際的な制限は、OSWGの理論では明確に説明されていません。^[50]

ホーンスピーカーは、多くのオーディオアプリケーションで使用されています。ホーンスピーカーのドライバーは、従来のスピーカーで同等の性能を得るには非常に大きなドライバーが必要となる低音域でも、非常に小型にすることができます。ホーンスピーカーは、単一の小型ドライバーを使用して広範囲の周波数を再生するように設計することができ、ある程度はクロスオーバーを必要とせずに設計することができます。

ホーンスピーカーは、音響強化や拡声用途に必要な非常に高い音圧レベルを提供するためにも使用できますが、これらの高音圧用途では、必要な効率と、ほとんどの大音量スペースで一般的に必要とされる制御された分散特性のために、高忠実度が犠牲になることがあります。特に時間領域でのホーン歪みの一部を打ち消す新しい方法である「ガンネスフォーカシング」は、デイブガンネスがイースタンアコースティックワークス（EAW）に在籍していたときに開発されました。この独自のシステムで処理されたEAWホーンロードスピーカーは、高出力と制御された分散を維持しながら、圧縮ドライバーダイヤフラム/位相プラグの時間スミア歪みが低減されています。^{[51] [52] [53] [54] [55]}

コンサート会場では、コンサート参加者が聞くだけでなく感じることができる低音を提供するために、大音量の低音再生用のホーンスピーカーの大規模なアレイ（「ベースビン」またはサブウーファー）がよく使用されます。アレイで複数のホーンスピーカーを組み合わせると、より大きな口の面積を持つ単一のホーンを使用するのと同じ利点が得られます。つまり、ホーンの口が大きくなるにつれて低周波カットオフが低くなり、アレイは複数のドライバーよりも高い出力パワーを持ちます。

商業映画館では、広い部屋を満たすために必要なパターン制御と感度の向上のために、ホーン型スピーカーがよく使用されます。

民生用オーディオでは、指向性の制御（壁、床、天井などの部屋の表面からの音の反射を制限するため）とスピーカーの感度の向上のためにホーンスピーカーが採用されています。

ホーンスピーカーは効率が非常に高いため、シングルエンドの三極管アンプやその他の真空管アンプなど、非常に低出力のアンプと相性が良い。第二次世界大戦後、初期のハイファイ愛好家の中には、リスニングルームの壁の大部分を占めるほどのホーン口を持つ低周波ホーンを製作する者もいた。ホーン口は屋外の芝生や地下室に設置されることもあった。1960年代にステレオが登場すると、この手法はほとんど見られなくなった。多くのスピーカー購入者や自作スピーカー愛好家は、美観上の理由から小型のデザインを求めた。

オーディオマニアの中には、オーディオ再生にホーンスピーカーを使用する人もいますが、ホーンシステムのハーモニック共鳴が不快な歪みをもたらすため、ホーンシステムを避ける人もいます。ホーンにはさまざまなデザイン（長さ、材質、テーパーが異なる）があり、ドライバーも異なるため、ホーンスピーカーを一概に特徴づけることは、ある程度不可能です。5～25ワット程度の低出力アンプを使用するオーディオマニアは、ホーンスピーカーの高効率を特に魅力的に感じるかもしれません。逆に、高感度のため、アンプの出力に存在するバックグラウンドノイズが著しく悪化することもあります。

映画のサウンドトラックは、ピークレベルが平均レベルより20dB高い、優れたダイナミックレンジを持っています。ホーンスピーカーの高感度により、ホームシネマで使用される一般的な1チャンネルあたり約100ワットの受信機/アンプを使用して、リスニングポジションで映画館のサウンドレベルを実現できます。^[56]

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  デンマークの会社Jamo (現在は Klipsch が所有)の中価格帯の家庭用オーディオ スピーカー。中音域 (上部) とツイーター (拡散要素の後ろ) 用のホーン付き。1980 年代
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  ハイエンド分野では、販売価格があまり問題にならないため、ホーン型スピーカーがよく見られる。
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  部屋の隅に収まるように三角形の背面​​部分を持つクリプシュホルンの図面

• フレンチホルン
• 圧縮ドライバー
• スーパーツイーター

• Ballou、Glen、Cliff Henricksen (1987)。「スピーカー、エンクロージャー、ヘッドフォン」。サウンド エンジニア向けハンドブック: 新しいオーディオ百科事典。インディアナ州インディアナポリス: Howard W. Sams & Co. ISBN 0-672-21983-2。
• Eargle, John M. ; Chris Foreman (2002)。「Radiating Elements」。JBL Audio Engineering for Sound Reinforcement。JBL Pro Audio Publications。ISBN 0-634-04355-2。
• Eargle, John M. (2003)。「ホーンシステム」。スピーカーハンドブック、第 2 版。Springer。ISBN 1-4020-7584-7。
• 2 次スロート導波管: 発明に関するホワイト ペーパー、Peavey Electronics Corporation の Charles E. Hughes 著。(2000) John Murray、Peavey Electronics。

• Lenard Audio のホーンシステムに関する教育 ホーンスピーカーの図解ガイド* The Frugal-Horns サイト -オープンソースのホーンプロジェクト
• スミス・ホーンプロジェクト