ウーファー

ウーファーまたはベーススピーカーは、通常20Hzから数百Hzまでの低周波音を生成するように設計されたスピーカードライバーの専門用語です。この名前は、犬の低い吠え声を表す英語の擬音語「ウーフ」に由来しています[ 1 ] （高周波^音を再生するように設計されたスピーカーに使用される名前であるツイーターとは対照的で、鳥の鋭い鳴き声「ツイート」に由来しています）。ウーファーの最も一般的な設計は、磁場に囲まれたボイスコイルによって駆動される、通常は硬い紙コーンを使用する電気力学的ドライバーです。

ボイスコイルは、スピーカーコーンの背面に接着剤で取り付けられています。ボイスコイルと磁石はリニア電気モーターを形成します。ボイスコイルに電流が流れると、コイルはフレミングのモーターの左手の法則に従ってフレームに対して動き、コイルがピストンのようにドライバーコーンを押したり引っ張ったりします。その結果、コーンが内外に動き、 音波が発生します。

通常の音圧レベル（SPL）では、ほとんどの人間は約20 Hzまで聞き取ることができます。^[2]ウーファーは一般に、スピーカーの周波数範囲の最も低いオクターブをカバーするために使用されます。2ウェイスピーカーシステムでは、低域を担当するドライバーは、中域の大部分、多くの場合800～1000 Hzもカバーする必要があり、このようなドライバーは一般にミッドウーファーと呼ばれます。1990年代以降、非常に低い周波数のみを対象に設計されたウーファーの一種であるサブウーファーが、ホームシアターシステムやPAシステムで低音域の応答を増強するために一般的に使用されるようになりました。サブウーファーは通常、最も低い2～3オクターブ（つまり、20～80または120 Hz）を担当します。

優れたウーファー設計には、低周波アンプの信号を高忠実度で許容可能な効率で機械的な空気の動きに効果的に変換することが必要であり、コーンの動きを空気に結合させるスピーカー エンクロージャの使用の必要性によって、設計が支援されると同時に複雑化します。設計がうまくいけば、ウーファー設計の他の多くの問題 (たとえば、線形変位要件) が軽減されます。

ほとんどの場合、ウーファーとそのエンクロージャーは連携して動作するように設計する必要があります。通常、エンクロージャーは、使用するスピーカーの特性に合わせて設計されます。エンクロージャーのサイズは、再生する最長波長 (最低周波数) に応じて決まり、ウーファーのエンクロージャーは、中音域と高音域に必要なサイズよりもはるかに大きくなります。

クロスオーバー ネットワークは、パッシブまたはアクティブで、ウーファーやその他のスピーカーで処理される周波数帯域をフィルタリングします。通常、ウーファーを含むクロスオーバーとスピーカー システムは、アンプから供給される電気信号を、アンプとスピーカーの間で他の相互作用なしに、同一波形の音響信号に変換することが期待されますが、アンプとスピーカーが一緒に設計され、スピーカーがアンプに 歪みを補正する負帰還を供給することもあります。

ウーファーの設計と製造には多くの課題があります。そのほとんどは、コーンの動きを制御して、ウーファーのボイスコイルへの電気信号がコーンの動きによって生成される音波によって忠実に再現されるようにすることです。問題には、コーンが動き続けないように、聞こえる歪みなしにコーンをきれいに減衰させて、瞬間入力信号が各サイクルでゼロに低下するときにリンギングが発生しないようにすること、および歪みを少なくして大きな変位（通常は大きな音を再生するために必要）を管理することが含まれます。また、すべての周波数で一定からそれほど離れていない 電気インピーダンスをアンプに提示するという課題もあります。

現在広く使用されているバスレフキャビネット設計の初期バージョンは、1932年にベル研究所のアルバート・L・チュラスによって特許を取得しました。 ^[3]

1965 年、ゼンハイザー エレクトロニクスはPhilharmonic サウンド システムを発表しました。これは、通常のウーファー サブシステムが直面する問題の一部を電子工学で克服するものでした。同社はウーファーにモーション センサーを追加し、実際の動きに対応する信号をフィードバックして、特別に設計されたアンプへの制御入力として使用しました。慎重に行えば、柔軟性 (アンプとスピーカーが恒久的に接続されています) とコストを犠牲にして、パフォーマンス (「タイトさ」と低周波パフォーマンスの拡張の両方) を大幅に向上できます。米国では、石油業界のエンジニアである LW Erath が、ほぼ同じラインの高級スピーカー シリーズを発表しました。

電子機器のコストが下がるにつれて、安価な「音楽システム」、ラジカセ、さらにはカーオーディオ システムにセンサー付きウーファーが搭載されることが一般的になってきました。これは通常、軽量または設計の悪い筐体で安価なまたは小型のドライバーからより良いパフォーマンスを引き出そうとする試みです。このアプローチには困難が伴います。サーボ技術を使用してもすべての歪みを除去できるわけではなく、設計の悪い筐体では電子補正の試みによるメリットが打ち消されてしまうからです。

スピーカーの特性は測定可能であり、かなりの程度まで予測できるため、スピーカー システムの欠陥をある程度補う特別な回路を設計することが可能です。

イコライゼーション技術は、ほとんどの拡声および音響強化アプリケーションで使用されています。ここでの問題は、主にハイファイ再生ではなく、音響環境の管理です。この場合、イコライゼーションは、使用するスピーカー システムとそれが使用される部屋の特定の特性に合わせて個別に調整する必要があります。

コンピュータ技術、特にデジタル信号処理(DSP) により、高精度のクロスオーバーが可能になります。有限インパルス応答(FIR) やその他のデジタル技術を使用することで、バイアンプまたはトライアンプ システムのクロスオーバーを、パッシブまたはアクティブのアナログ フィルタでは不可能な精度で実現できます。さらに、Klein と Hummel の最近の設計のように、多くのドライバ特性 (個々のばらつきを含む) を同時に修正できます。このアプローチは複雑であるため、低コストの機器では使用されない可能性があります。

すべてのコーン素材には長所と短所があります。設計者がコーンに求める主な特性は、軽量、剛性、無着色（リンギングがないため）の 3 つです。ケブラーやマグネシウムなどの特殊な素材は軽量で剛性がありますが、製造や設計によってはリンギングの問題が発生することがあります。紙（コーティングされた紙コーンを含む）やさまざまなポリマーなどの素材は、一般に金属振動板よりもリンギングが少なくなりますが、重く、剛性が劣る場合があります。あらゆる種類のコーン素材で作られたウーファーには、良し悪しがあります。ガラス繊維、竹繊維、発泡アルミニウム ハニカム サンドイッチ、マイカ入りプラスチック コーンなど、 ほぼあらゆる種類の素材がコーンに使用されています。

フレーム、またはバスケットは、コーン、ボイスコイル、および磁石を適切な位置に保持する構造です。ボイスコイルの隙間は非常に狭いため (クリアランスは一般に 1000 分の 1 インチ未満)、隙間にある磁石構造に対するボイスコイルの擦れを防ぎ、余分な動きを避けるために剛性が重要です。金属フレームには主に 2 つのタイプ、打ち抜き加工と鋳造があります。打ち抜き加工のバスケット (通常はスチール製) は低コストのアプローチです。このタイプのフレームの欠点は、スピーカーを大音量で駆動するとバスケットが曲がる可能性があり、特定の方向にのみ曲げに対する抵抗がある点です。鋳造バスケットはより高価ですが、通常、すべての方向に対してより剛性が高く、ダンピングが優れており (自身の共振が低減)、より複雑な形状にできるため、通常は高品質のドライバーに好まれます。

ウーファーの重要な仕様は、その電力定格、つまりウーファーが損傷なく処理できる電力量です。電力定格は簡単には特徴づけられず、多くのメーカーは、損傷なくごく短時間のみ達成できるピーク定格を挙げています。ウーファーの電力定格は、スピーカーが極限まで押し上げられるときに重要になります。たとえば、高出力を必要とするアプリケーション、アンプの過負荷状態、異常な信号 (つまり、非音楽的な信号)、エンクロージャが音響負荷をほとんどまたはまったく提供しない (そのため、コーンの変位が最大になる) 非常に低い周波数、またはアンプの故障などです。大音量の状況では、ウーファーのボイス コイルが熱くなり、抵抗が増大して「電力圧縮」が発生します。これは、長時間の高出力動作の後、出力音響電力レベルが低下する状態です。さらに熱くなると、ボイス コイルが物理的に変形し、擦り傷、ワイヤ絶縁劣化によるショート、またはその他の電気的または機械的損傷が発生することがあります。突然の衝撃エネルギーによってボイス コイル ワイヤの一部が溶け、回路が開いてウーファーが機能しなくなることがあります。必要なレベルは、ドライバの特性によって異なります。通常のリスニング レベルの音楽アプリケーションでは、ウーファーの電力定格は一般的には重要ではありませんが、高周波ドライバーの場合は重要です。

ウーファーを含むスピーカー ドライバーには、熱、電気 (両方とも上記で説明)、機械の 3 種類の電力処理があります。コーンの偏位が最大限度に達したときに、機械的な電力処理限界に達します。機械的な限界を一度も超えていない場合でも、ウーファーにかなり高い電力レベルが長時間供給された場合、熱的な電力処理限界に達することがあります。ボイス コイルに適用されるエネルギーのほとんどは、音ではなく熱に変換されます。熱はすべて、最終的にポール ピース、残りの磁石構造、およびフレームに伝わります。ウーファー構造から、熱は最終的に周囲の空気中に放散されます。一部のドライバーには、特に高電力レベルの状況で動作中にコイル/磁石/フレームの温度上昇を抑えるために、より優れた冷却対策 (通気口付き磁石ポール ピース、専用の熱伝導構造など) が組み込まれています。ボイス コイルに適用される電力が放熱能力よりも多すぎると、最終的には最大安全温度を超えてしまいます。接着剤が溶けたり、ボイスコイルの型が溶けたり変形したり、ボイスコイルの巻き線を分離する絶縁体が破損したりすることがあります。これらの事象はいずれもウーファーにダメージを与え、使用できなくなる可能性があります。

拡声システム(PA) や楽器アンプ用に設計されたウーファーは、ホームオーディオ ウーファーと構造が似ていますが、通常はより頑丈に設計されています。通常、設計の違いには、繰り返しの輸送や取り扱いを想定して作られたキャビネット、より高い音圧レベルを可能にするより大きなウーファー コーン、より高い電力に耐えるより頑丈なボイス コイル、およびより高いサスペンションの剛性が含まれます。一般に、PA/楽器アプリケーションで使用されるホーム ウーファーは、PA/楽器ウーファーよりも早く故障することが予想されます。一方、ホームオーディオ アプリケーションでの PA/楽器ウーファーは、特に低音量では、同じ品質のパフォーマンスを発揮しません。PA ウーファーは、これらの違いにより、高品質のホームオーディオの目標である同じ可聴高忠実度を実現しません。^{[引用が必要]}

PA システムのウーファーは、通常、効率が高く、高出力処理能力を備えています。リーズナブルなコストで高効率を実現するには、ホーンまたは大型の反射エンクロージャー用に設計されているため、通常、比較的低いエクスカーション能力 (つまり、多くの家庭用ウーファーほど遠くまで「出入り」できない) が必要です。また、低周波数応答の最後のオクターブによってサイズとコストが大幅に増加し、PA アプリケーションのように高レベルで使用しようとするとますます経済的でなくなるため、拡張された低音応答には適していません。家庭用ステレオ ウーファーは、比較的低い音量で使用されるため、非常に低い周波数を処理できる場合があります。このため、ほとんどの PA ウーファーは、高品質で忠実度の高い家庭用アプリケーションでの使用には適していません。逆もまた同様です。

通常の音圧レベルでは、^[2]ほとんどの人間は約20Hzまで聞くことができます。最低音を正確に再現するには、ウーファーまたはウーファーのグループがそれ相応に大きな量の空気を動かす必要がありますが、これは低周波数では難しくなります。部屋が大きければ大きいほど、低周波数で必要な音響パワーを生み出すためにウーファーの動きで動かす空気の量が多くなります。

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