スピーカーのタイムアライメント

スピーカーのタイムアライメントは、通常単に「タイムアライメント」または「タイムアライン」と呼ばれ、複数のドライバー（ウーファー、ミッドレンジ、ツイーターなど）を使用して広いオーディオ範囲をカバーするスピーカーシステムに適用される用語です。これには、1 つ以上のドライバー（2 ウェイ以上）から発せられる音を遅らせることで、過渡応答を修正し、精度を向上させ、非同軸ドライバーではクロスオーバー周波数での指向性またはローブの傾斜を改善します。個々のドライバーの前後の間隔を調整して、サウンド出力が真に同時になるようにします。

1975年、エド・ロング^[1]はロナルド・J・ウィッカーシャムと共同で、スピーカー システムをタイム アラインする最初の技術を発明しました。1976年、ロングは第54回AESコンベンションで「スピーカー システム設計のためのタイム アライン技術」^[2]を発表し、タイム アライン ジェネレータを使用してマルチウェイ スピーカー システムのクロスオーバー ネットワークを改良する方法を示しました。この技術は、クロスオーバー周波数で掃引されるさまざまな矩形パルスの主観的評価に依存していました。タイム アライン ジェネレータは、オシロスコープでパルスをロックして表示できるようにしました。タイム アライン技術は、ロングによって1977年に発表されたUREI 813スタジオ モニター^[3]で採用されました。ロングは、1970年代後半から90年代にかけて、タイム アライン技術を使用してニア フィールド スタジオ モニターも製造しました。1977年、ロングはタイム アラインを商標登録し、後にその派生製品であるタイム アラインドとタイム アラインメントを商標登録しました。 (ダッシュを含める必要があります) Long は、UREI、Bag End Loudspeakers などに Time-Align 商標のライセンスを供与しました。

Hi-Fi オーディオでは、スピーカーが録音された素材を忠実に再生できることが求められるため、オーディオ スペクトルをより適切にカバーするスピーカーの方が、Hi-Fi パフォーマンスも高くなります。そのため、ほとんどの Hi-Fi スピーカーでは、オーディオ スペクトルを十分にカバーするために複数のドライバーが採用されています。

少なくとも、このようなスピーカーは、ウーファー（またはミッドレンジ/ミッドウーファー）とツイーターを採用した 2 ウェイです。よりハイエンドのスピーカーは 3 ウェイまたは 4 ウェイになることもあります。この記事では、説明を簡潔にするために、ウーファーとツイーターで構成される 2 ウェイ スピーカー システムを想定します。ウーファーはオーディオ スペクトルの低域をカバーし、ツイーターは高域をカバーするため、この 2 つの分割点はクロスオーバー周波数であり、クロスオーバー周波数で両方のドライバーの出力が音響的に合計されてピークやディップがなく、シームレスであることが最も重要です。そうでないと、スピーカーが音に色を付けていると言われます。

2 ウェイ スピーカーの一般的な特性は、クロスオーバー周波数で、ウーファーとツイーターの中心間の物理的な距離により、組み合わせから発せられる音が全方向ではなくローブ状になることです。ローブ領域内では、クロスオーバー周波数でのサウンド レベルはローブの外側に比べてはるかに高くなります。そのため、スピーカーの設計者は、ドライバーの直径をできるだけ小さくしてドライバー間の間隔を狭くすることで、メイン ローブをできるだけ大きくしようとします。ただし、対象となる最低周波数 (低音) によって、ウーファーの直径に下限が設定されます。そのため、このようなスピーカーでは必ずローブ状になります。

典型的な 2 ウェイ スピーカーは、前述のようにウーファーとツイーターを使用します。通常、ツイーターはウーファーよりはるかに小さく薄いです。これは、ドライバーの放射面 (設計に応じてボイス コイルまたはドーム/ダスト キャップ、別名「音響中心」) が同じ平面上にないことを意味します。ツイーターの放射面は、通常、両方が同じフラット パネルに取り付けられている場合、ウーファーよりかなり前方にあります。この物理的なオフセットは 20 ～ 40 mm 程度ですが、一般的なクロスオーバー周波数 (≥ 1 kHz) では、このオフセットはメイン ローブの傾斜を引き起こすのに十分です。下の図はこれを示しています。

ウーファーは2つのうち大きい方で、ツイーターの下にあります。これは最も一般的に使用される2ウェイ構成です。ツイーターははるかに薄く、その音響中心はウーファーの音響中心よりも前方にあります。このため、クロスオーバー周波数では両方のドライバーが同じ周波数を生成するため、ツイーターからの音波はウーファーからの音波よりも早くリスニング位置Pに到達します。このため、Pでは波の理想的な合計はありません（波が強められたり打ち消されたりする可能性があります）。したがって、メインローブはPから離れて位置P'（この特定のスピーカーではPよりも低い）に向かいます。^[4]

ほとんどの場合、傾斜ローブは問題を引き起こさず、実際多くのスピーカー システムではタイム アライメントを使用していません。ただし、LR4 または LR2クロスオーバーと呼ばれるタイプのクロスオーバーがあり、これには、それを使用するスピーカーにとってタイム アライメントが価値のある特定の独自の機能があります。この特定のクロスオーバーには、クロスオーバー周波数で電気的な加算がフラット (つまり、ピークやディップがない) であり、ウーファーとツイーターに送信される信号が常に同位相である (LR2 の場合は 180° 位相がずれていますが、ツイーターの信号を反転するだけで修正できます) という特性があります。タイム アライメントされたスピーカーで使用すると、スピーカーのメイン ローブは正確に前方 (つまり、まっすぐ) を向き、応答に 3dB のピークはありません。このため、LR2 または LR4 クロスオーバーは、バターワースタイプと比較してオーディオに最適です。 LRクロスオーバーがなくても、メインローブを前方に向けてスピーカーがリスニングポジションを均等に照らすようにすると、システム全体のパフォーマンス（イメージングや聴力など）が向上します。^[5]

この技術では、（通常）ツイーターの信号は位相シフトされます（ツイーターはウーファーよりも先行しているため、通常は遅延します）。この位相シフトにより、ツイーターの音波に同等の時間シフトが導入され、物理的なオフセットによるウーファーとツイーターの時間差が修正されます。可変位相シフトフィルターを使用すると、物理的に変更を加えることなく、ほぼすべてのスピーカーの時間調整が非常に簡単になります。この方法は、ドライバーを物理的に時間調整するよりもはるかに簡単で便利です。^[6]ただし、位相調整は聴覚だけで行うことができないため、ほとんどの場合、音響測定が必要になります。

この技術では、ドライバーは物理的にオフセットされ、音響中心が同じ物理面に位置するようになります。この技術は、他の時間調整手段が利用できない、または使用が意図されていない場合に使用されます。ドライバーを調整するための特別な電子機器を必要としないため、エンドユーザーのセットアップが簡単になります。ただし、この技術では、設計時に音響中心の正確な深さがわかっている必要があるため、ドライバーが取り付けられているスピーカーのフロントパネルに物理的なオフセットを導入できます。^[6]

これを行う一般的な方法は、フロントパネルに「段差」を設けて、ツイーターをウーファーの後ろの少し離れた位置に取り付けることです (上の画像を参照)。この段差は、ツイーターの音波が段差の周りで回折するため、ドライバー間の時間遅延よりも加算時に多くのエラーを引き起こす可能性があります。^[7]段差のエッジを傾斜させて丸くすると回折を減らすのに役立ちますが、完全に除去することはできません。また、傾斜が緩やかであればあるほど、ドライバー間の垂直方向の分離が大きくなり、クロスオーバー周波数でローブが薄くなります (つまり、垂直方向の指向性が高まります)。

ツイーターを物理的に後方に移動させることなく物理的な時間調整を導入する別の方法は、スピーカー自体を上方に傾ける（またはフロントパネルを垂直ではなく傾斜させる）ことです。この方法では、物理的な軸面自体が上方に傾くため、物理的な面が必要な軸面と実質的に一直線になります。ただし、これでリスニング位置はすべての周波数でどちらのドライバーに対しても軸から外れます。^[7]これは、あらゆるスピーカーに対して実行でき、試行錯誤でスピーカーを簡単にセットアップできるという点で、すべての方法の中で最も簡単です（特にスピーカー自体を上方に傾ける方法）。

• 音響ロービング
• ミッドウーファー-ツイーター-ミッドウーファー（ドライバーのタイムアラインメントを必要とせずにローブの傾きを補正する技術）