スピーカーの挙動をわかりやすく教えてください

質問

はじめまして。
手探りで知識を漁っている状況の素人です。

最近リンクウィッツ・トランスフォームという物の応用で、パラメトリックイコライザを駆使してある程度位相を整える事ができる・・・らしいという事を知りました。
それがきっかけでスピーカーの挙動について疑問に思ったのですが、そもそもスピーカー（密閉型に限定させてください）の位相が回転する（したように見える？）のはどうしてなのでしょうか？

個人様のサイトの引用になりますが、（開放型ヘッドホンのデータですが、HD650を基準にさせてください）

http://www.geocities.jp/ryumatsuba/column51.html

低域になるにつれて位相がズレていくように見えます。
これは実際にはどのような理由で入力波形とズレて、このような波形になってしまうのでしょうか？
なるべく簡単に説明していただけると嬉しいです。

回答No.6

John_Papa · ベストアンサー

No.1です。
お礼ありがとうどざいます。

最低共振周波数をバネに例える発想は当たっています。
スピーカーのダンパー（ボイスコイルを支えるモノ）や、密閉箱に閉じ込められた空気がまさにバネの役目をして共振が生まれる訳です。『反発力のようなもの』そうですね、動きが阻害されると逆起電力が働き電流が流れにくくなる分インピーダンスが高くなる、と考えて差し支えないでしょう。電気自動車の下り坂・減速時発電みたいなものでしょう。
この共振、との干渉（つまり唸りですね）が発生し位相をズラしているとも考えられます。

あなたの持ってこられたページの測定データには群遅延を対象とするデータは含まれていません。
従って、群遅延についてはそれを持って来た回答者に始末をつけてもらいたいですが、
そもそも一般のサイン波（純音）には群遅延は存在しません。
二つの近接したサイン波（つまり単一ではなく群）では唸りが生じますが、この唸りのピークに達する時間遅れを群遅延と言います。先ほど「サイン波には群遅延は存在しません」と書いたばかりですが、サイン波が入力されてスピーカーが動き出し所定のレベルに達するまでを唸りによる傾斜時間と見て群遅延を当てる事ができます。つまり初動時間の事と考えれば良いです。
特に低音は同じ音圧を得るためには振幅も大きくなります。振動板面積や振動板質量も必然的に広く重くなり、これが初動時間を遅らせる原因となりますし、バスレフ方式ではキャビネットを笛のように共鳴させて低音を作りますので更に初動時間が遅れます。
ということなので、HD650の測定ページに拘るなら群遅延を考慮しない方が宜しいでしょう。

ちなみに、引用されたページで群遅延が現れているのはサイン波１周期のみのパルス『サインショット』において遅延が一周期以上の為に発音不全になったり、開始位相がズレてる為にスタートが（0）ラインではないところから始まり、そのカーブに飛びつくまでが群遅延になります。群遅延の考え方を入れればHD650では21.5Hzが150度ほど進んで下降ラインで始まっていると読める（測定用マイク込みでの特性です）訳です。200Hz以上ではループバック相似のすばらしい特性ですね。
計測はガイドパルスを元に自動的にグラフ化開始ポイントを調整するようになっていると思いますが、このソフトや測定用マイク等がどの程度正確であるかは未知数です。

私がNo.1で紹介したURLやdenwaha4126さんの図は、電気的インピーダンスだけでの位相回転グラフになります。つまり理論上発生する位相ズレです。
あなたが引用されたhttp://www.geocities.jp/ryumatsuba/column51.htmlの『1/6octサイン：位相＋高周波歪み測定』にも1/6octバンド幅での位相特性が表示されていますが、それと比較ができますね。HD650については終盤に３回測定比較も載ってます。この特性はマイク経由なのでマイクの特性や群遅延も含んでいます。なぜなのかわかりませんが理論的には有る筈の最低共振周波数80Hzのインピーダンスピークに相対する位相変化が1/6octサイン計測に現れていないのが非常に興味深いです。この測定方法自体があまり類を見ないものなので私の能力では評価不可としておきます。
もし、このグラフが正しくて、インピーダンスの山が有っても位相に影響しないテクノロジーが有るのなら画期的なものになるでしょう。
一般的にNo.1で紹介した
http://www.aedio.co.jp/sokutei/gbl15wt33/15wt33.html
が、測定した場合のインピーダンスと位相の相関グラフになります。等価回路による位相グラフともよくマッチしています。

群遅延はインパルス測定が普通に行われるようになった以降の新しい考え型なので、古い人間の私はきちんとは勉強しておりません。解釈を間違えている可能性もありますので、その場合はご容赦ください。

お礼

回答ありがとうございます！

当初からの疑問であった低域の位相がズレていく理由として非常に得心いたしました。
知識量の足らない私は、測定方法１つとってもどんなパラメーターが含まれているのか、都度把握しておく必要があるようです。

また暫く自宅のシステムと相談しながら音を詰めていく事ができそうです。
ありがとうございました！

回答No.7

denwaha4126

まあ、振動板を動かすのは電圧でなく電流ですからね。
共振周波数以下で位相が理論通りにならないのは、振動板の運動が電流に追従しなくなっていくからじゃないかな～
スピーカーの低音再生能力は、共振周波数までってよく言いますよね。

スピーカーはモーターみたいなもので、発電機でもあります。
低域の物理的共振で発生する逆起電力ですね。
これがインピーダンスを増加させます。
「ダメだ！勝手に動くな～!!!」て、ブレーキを踏んでるようなもの。
共振周波数で振動板が勝手に動きたがるのを押さえ込んでます。

もし定電流アンプで駆動したらどうなるか？
ウーハーが共振周波数で、ボ～～～ン!!!! って抜けてボイスコイルが磁気ギャップを外れるまで振動するんじゃないかな～

昔、「ダンピングファクターコントロール回路」とか言って、負荷と直列の電流検出抵抗から電圧帰還掛けるアンプがあったんですよ。
それは定電流アンプに近いんですね。（電流出力アンプと呼ぶこともある）
例えば、このアンプ基板の回路みたいな感じ。
http://www.417components.com/50_133.html
このアンプでスピーカーを駆動したら、位相特性はどうなるんでしょうね？

お礼

回答ありがとうございます。

＞スピーカーの低音再生能力は、共振周波数までってよく言いますよね。

実はまさにこの理由だと思われる位相回転をパラメトリックイコライザで修正してみたところ、相当な音の違いが出まして・・・
ウーファーもですが、特に2wayの場合にはツィーター側での改善が著しく、それで今回の疑問に行き当たりました。
xmaxの範囲内という制約はありますが、明らかに実感できるほどの改善がみられるというのは衝撃でした。
まさにイヤホンみたいな音になったと言いますか・・・

＞位相特性はどうなるんでしょうね？

インピーダンスは上昇はしにくくなるものの、最終的な測定波形はより大きくなった共振によって位相が大きくズレるという感じなのでしょうか？
うーん・・・

位相について考えるのはなんだか楽しいですね（笑

回答No.5

denwaha4126

あれ、画像が出なかった・・・・・
これで出るかな？

お礼

回答ありがとうございます！

これを見ると2KHzを中心とした傾斜が群遅延によるもので80Hzの位相変化が共振によるものでしょうか？
サインショットで群遅延時ののズレが反映されていないという事は、回転したように見える理由はやはり共振と・・・

すみません、やはり混乱しているので、現時点で自分の頭の中をまとめさせてください。

・HD650のサインショットが低域になるにつれて変形したように見えるのは共振によるもの。
・添付していただいた特性を元に、共振する周波数帯では80Hzを境にそれより周期が速すぎたり遅すぎたりする波形は共振の力によって変形させられ、それが位相の回転を引き起こしている。

今はこのように考えております。

回答No.4

denwaha4126

ダイナミック・スピーカーの等価回路を使って、HD650 のインピーダンス特性に似たパラメータを適当に作って計算してみました。

画像の黒いグラフがインピーダンスの大きさで、赤のグラフがインピーダンスの位相です。

インピーダンス特性の位相と似てますね。

回答No.3

iBook 2001（@iBook-2001）

再び iBook-2001なりぃ～♪

今日は呑み会（天神会という毎月の定例会）で、へろへろヨッパでかえって来ましたぁ8(^o^)8

ほんとの工学的な部分はワカラナイが、スピーカーから出る音、という範囲では、いろいろ考えて、スピカー工作を楽しんでいるだけなので、本物の学術的部分は、ごめんなさい。デス。

私個人が興味を持ったキッカケ、原点が出ている範囲の情報が有ったリンクを乗せておきます。

http://www.aedio.co.jp/beppu/RG/RG1996-6pp59-65.pdf
http://www3.ocn.ne.jp/~tima/products/oneshot/oneshot.html
http://www.aedio.co.jp/NewSpeakerKit/20130210Speaker%90%BB%8D%EC.pdf

お礼

回答ありがとうございます。

私も今まではドライバの使える範囲を組み合わせて音を出すくらいの気持ちでいまして、あまり深くは考えていなかったのですが、一度考えだすとなかなか深い世界ですね。

ありがとうございます。
リンク先、参考にさせていただきます。

回答No.2

iBook 2001（@iBook-2001）

はじめまして♪

先輩回答者様がご指摘の、共振峰による位相回転も重要です。
この他に、「群遅延」という部分も存在します。

http://www.ne.jp/asahi/shiga/home/MyRoom/groupdelay.htm

http://akashikk.jimdo.com/%E3%82%AA%E3%83%BC%E3%83%87%E3%82%A3%E3%82%AA%E7%90%86%E8%AB%96%E3%81%A8%E5%AE%9F%E9%A8%93/%E3%82%B9%E3%83%94%E3%83%BC%E3%82%AB%E3%83%BC-%E5%91%A8%E6%B3%A2%E6%95%B0-%E4%BD%8D%E7%9B%B8-%E7%BE%A4%E9%81%85%E5%BB%B6-%E6%8C%87%E5%90%91%E6%80%A7/

おおむね、これらは１kHz等を起点に考えているので、周波数変化により変化が多く成る、と見る事が通常正解ですが、低域側を起点として測定すれば、中区域に成る程変化する、という見方も出来ます。

お礼

回答ありがとうございます！

リンクの内容を半分も理解できていないので間違っているかもしれませんが、群遅延とはバネの付いた錘を手を上下させて振動させる時に、手の動きにワンテンポ遅れて逆に動く運動の状態から上下させるスピードを遅くして、手の動きと錘の動きが真逆になるまでの位相の変化・・・という事になるのでしょうか？

John_Papaさんのお礼には反発力と書きましたがこれは私の考え方が誤りで、共振は素直に加速がしやすくなるだけ。

共振による加速のしやすさからくる入力信号との位相のズレと、群遅延による入力信号と振動板の対応する動きの変化から生まれる位相のズレが入力信号に対して影響を及ぼすために、位相が回転しているように見えるという事になるのでしょうか？

すみません、ちょっと混乱しています。

回答No.1

John_Papa

こんにちは。

直接位相特性が表示されているのではないのに、よく位相のズレを見つけられましたね。

偶然かも知れませんがHD650のインピーダンス等価回路を作成されているサイトがあります。
http://blog.livedoor.jp/funya2420/archives/2011-06.html
HD650 その１
80Hzにインピーダンスのピーク（この場合80Hzを最低共振周波数と称します）を持っている事が解ります。
そこには、位相については振れられていませんが、HD650も一般的なダイナミックスピーカーと変わりありません。ダイナミックスピーカーでは避けられない、共振が位相変化の原因です。

あとは、候補は少ないですがインピーダンスと位相を測定したサイト
http://www.aedio.co.jp/sokutei/gbl15wt33/15wt33.html
ここらあたりが参考になるでしょう。
360度以上ズレるスピーカーもざらにあります。

お礼

回答ありがとうございます！

自分なりに解釈してみたのですが、
共振しやすい周波数帯では振動板にかかる加速度が弱くなると、反発力のようなもの（元に戻ろうとする力？）が働いてしまう。
入力された信号とは別の力の影響を受けながら振動した結果、位相がズレていくような振る舞いになる、という感じなのでしょうか。