実際の遠方での平面スピーカーの音圧特性は？

質問

コーン形振動板は点音源で球面波で伝達するので遠方で音圧低下が大きいが、
平面スピーカーは振動板面がフラットで面音源なので平面波で伝達するので遠くでも音圧低下が小さいと主張するこの記事などがあります。
http://www.just-tech.co.jp/livesound_r3/Exp1.htm
この記事の理論では、図のように30m遠方では平面スピーカーの高音が異常に大きくなるはずで高音しゃりしゃりの音になるのでは？と想像しますが、

平面スピーカーで距離での比較を実際に測定した、
周波数特性図などはあるのでしょうか？
なんでも良いので参考になるご意見などをお願いします。

回答No.1

John_Papa · ベストアンサー

こんにちは。

コンデンサスピーカーとかマグネパン等平面駆動型で海外サイトを検索すればなにかありそうです。スピーカーですので30°60°特性は計測対象になっても、測定できる無響室も限られる距離を違えての測定は少ないでしょう。

さて、引用されたサイトですが、振動板が平面というだけの事で面積小さいし、異論多々有りそうですね。

この記事を覚えていたのでリンクしておきます。
http://image.itmedia.co.jp/l/im/lifestyle/articles/1107/06/l_ts_tfls03.jpg

これを見ると新聞紙大（A0＝1m2）のある意味理想的な平面駆動スピーカーですが、平面波効果有りと言えるのは7m程度です。（1.3KHz、スピーカーの中心線上でね）
以後は点音源スピーカーとはぼ同率でTLFスピーカーも減衰して行くとしています。
普通のスピーカーで1～2m間の減衰量6dBエリアが1～7mに拡大してる、更に1m未満は理想的な平面波エリアですので極端な音圧上昇は無い筈ですね。サブコピーの「近くでもうるさくない」スピーカーというのが適切でしょう。
この比率だと30m遠方で平面波効果ありと言うには振動板面積が20m2程必要になりそうです。室内じゃ設置は無理ですね。
また、この時高音20KHzが減衰せずに到達したとして1KHzが-6dBですので高音が異常に大きい訳ではないでしょう。実際には気流に持っていかれ易いので、むしろ高音不足になってる可能性も高いです。

平面駆動スピーカー共通の弱点である振幅運動距離が取れない問題が、特にTLFスピーカーには顕著に有ります。低音が出せれば利用価値はぐんと高まるでしょうが、残念ながら音楽再生には不向きです。

お礼

回答ありがとうございます。
A0サイズで約1ｍｘ1ｍ平面スピーカーとみなして良いと思う、
ヤマハの記事では、FOSTEXの80cmスピーカー等との比較ではなくて、
点音源での理論カーブ6dB/octと比較しているし、
平面スピーカーのカーブでは2ｍ位が凸でになってて不自然に思いますし、
7ｍでの測定が出来る大型無響室での測定ではない？ように感じますし、1.3kHzだけでは比較のしようがありません。

無響室での1ｍと7ｍの周波数特性図を発表すれば直ぐ分ることなのに、
分るとまずいことがあるのでは？と想像してしまいます。
JBLでも周波数特性図が見つかりませんし、
指向性が鋭くなると強調しているだけと思います。
TOAでも周波数特性図が見つかりませんので理解できないでいます。

平面の効果は小さいのでは？と思います。

補足

例えば1ｍと7ｍとかの周波数特性図があれば平面波の効果がすぐわかるのですが、メーカー記事にも見つかりません。
15畳洋室で16cmコーン型と16cm角平面ウーハーを10cm,1m,3mで周波数測定して比較をしましたら、10cmと1ｍでは球面波の理論通り全体が-20dBに低下した特性になりましたが、なんと1ｍと3ｍでは音圧がほぼ同じになったのは部屋の残響のためと思います。
口径1ｍ位の巨大スピーカーでないと、中/小口径スピーカーでは平面波の効果がほとんど無いのでは？と思います。

まだ納得できないので気が向いたら屋外で測定をしたいと思いますし、
測定結果を添えて物理カテゴリーで質問したいと思います。
皆さんに感謝いたします。

回答No.7

iBook 2001（@iBook-2001）

回答＃５のiBook-2001です♪

お礼コメントを頂、ありがとう御座います。

ちょと視点を変えてみたのですが。。。。
『実際の遠方での平面スピーカーの音圧特性は？』
と言う事で、現実的な状況を想像してみました。

通常のリスニング環境では、スピーカーとリスナーがほんの数mですよねぇ。
より平面波が崩れにくいという事から、例えば畳み一枚分の平面駆動ユニットが在ったとして、３０m先で見た場合、視覚的に数m先のコーン型２０cmユニットと同じ様なサイズに成ってしまうんじゃ？？？

って。事は空気と言う働きから、その地点まで平面波としての要素は大きく持続出来ずに、通常のスピーカーと同じになる。と考えちゃうのは、乱暴過ぎますかねぇ（汗）

波長の長い低音域は拡散しやすく、中音域に比べて距離による減衰がとても大きいのですが、拡散し切ってしまった後は減衰しにくく、かなり遠方まで届くのは、遠方の祭り太鼓や打ち上げ花火の音等でだれもが経験している事と思います。

空気中を伝わる高音域は減衰が大きく、拡散をかなり抑えたとしても、避け様が無いので、平面スピーカーだからドウのという話では無いと思います。
単に、より狭い指向性を持つので、平面波に近い状態を多少維持しやすく、減衰が多少少ない。という程度でしょうから、高域が強調されたハイ上がりの音とはならないと考えられます。

畳み一枚、いやその数倍もの平面駆動ユニットでフルレンジ再生が可能であれば、３０mとは言わず、１００m先でも「そこそこバランスが良い音」が得られるかもしれませんねぇ。。。
（ま、現実は大規模なスピーカーを積み重ねた屋外コンサート等がメインで、コストや耐久性などの観点から、平面スピーカーは実際に多用されていないのが現実です。）

あとは、シーメンスのブラットハラーに毒されちゃっているのかも。。。
https://www.nhk.or.jp/museum/book/kiki100sen03.html
（あくまで、１９２０年代頃の評価ですから、、、、）

お礼

ありがとう御座います。

例えば1ｍ角位の平面駆動ユニットが在ったとして、３０m先で見た場合、視覚的に数m先の平面駆動２０cmユニットと同じ様なサイズに成ってしまうことは音響工学理論でも正面軸音圧特性理論に在ります。
振動板直径/測定距離の比が大きいと数ｍ近辺では高音が低下するが、遠方になるほど高音低下が改善されるけど、ハイ上がりにはならないと思います。

本来の平面波とは音波が広がらないで永遠に音圧が低下しないのですが、
音は球面波で発生して、500Hz位では5ｃｍ前位から平面波近似（音圧、粒子速度、振幅）特性で周囲に広がって行き、距離に比例して低下するようです。
平面波近似と完璧な平面波との区別を明確にし、
球面波音源では低音ほど空気を大きく動かしても音圧が出ない無効振幅がある（50Hz～高音では1ｍ以内？）範囲があり、平面波近似特性で球面状に音が広がる区別などが必要と思います。

低音でも高音でも距離に比例して音圧減衰しますが、特に高音域は百ｍ以上遠方位では空気粘性による減衰があるそうですが、100ｍより近距離位では高音減衰が微小なので考慮しなくても良いのでは？と思います。
数ｍ角もの平面駆動ユニットでも普通のスピーカーでも
見晴らしが良い屋外では１００m先でも数ｋｍでもバランスが良い音が得られても、反射や吸音などする建物や樹木があると高音が減衰して低音域だけが聴こえることが多いと思います。

シーメンスのブラットハラーは2km先でも音が聴こえたとの記事がありましたが、100dBのPA用スピーカーでも0.05％に減衰して34dBになる計算になり、砂漠で静かな所では十分聴こえるはずです。

回答No.6

John_Papa

No.1です。お礼ありがとうございます。

平面波／球面波などの波の進み方は、高校の物理でホイヘンスの原理（正しくはホイヘンス-フレネルの原理 Huygens–Fresnel principle）と習う筈です。
波頂の各点から放射状（球状）に広がるが、相互干渉によって次の波頂が作られる。
その結果、波長が長い程回折しやすく、波長の短い高音は直進性が高くなる。
平面波は低音も高音も、波長によって度合いが違うだけで、端から球面波の伝播状態に崩れて平面波部分は減少して行きます。

私も概念は覚えていますが、強度分布の計算式はかなり難しく元より記憶しておりません。

なお、無響室はフランス国営の無響室が世界最大ですが、そこでも30mの距離は無かったと記憶してます。

音は、伝播媒体である空気の影響をモロに受けます。密度差で屈折します。波長の短い程屈折率も高い。これもホイヘンス-フレネルの原理で説明されます。地球が丸いことと上下で空気密度が違う事もあり（地面反射や障害物の干渉の方が大きいでしょうけど）、音は数十メートルでもやや上方にそれて行きます。
その対策が、野外大規模ＰＡで使われる縦長のラインアレイ方式に成っている訳です。
もちろん、伝播媒体が動いてしまう気流（風）には乗っかって音伝播の軸が移動してしまいます。
遠くの音が中音に比べ高音が不足するのには、そのような理由もあるのです。

お礼

無響室では30mでも7ｍでも距離測定は普通は無理ではないかと思います。
ラインアレイスピーカーは、スピーカー同士の干渉で高音が低下するはずで
、ツイーターでの高音対策やイコライザーで高音増強していると思います。

ラインアレイのカタログや音響工学にも1ｍと30ｍなどの周波数特性図が記載されれば誰でも指向性や音圧低下の効果が分るのに残念！と思います。
回答ありがとうございます。

回答No.5

iBook 2001（@iBook-2001）

はじめまして♪

御質問にありましたリンク先、残念ながら現実とかかなり違った「机上の空論」っぽいですねぇ。

距離による音圧減衰比較図（グラフ）では、通常のスピーカーと平面ユニットの比較ができる部分は２kHzだけに成って居ます。

１０kHzなどは、通常のスピーカーですら「指向性」が狭く、コーン型だろうが平面型だろうがドーム型だろうが、ほとんど変わらないと思われます。

また、ほんの数m範囲ならほぼ気になりませんが、１０m以上となりますと高域の減衰が顕著になってきて、４０mや１００mで、図の様な特性は有り得ないはずです。

この現象で特に顕著なのが「雷鳴」です。
かなり近い雷の場合、バリバリとかバチンとかにも聞こえますが、割と遠方の雷ですと高域が聞こえず、ゴロゴロという中低域の音だけが聞こえたりしますしね。

おそらく、３０m先では、高域の音の直進性が強く、減衰が少ない、しかし距離差による高域減衰が多少加わるので、極端に高域を強調した程の「シャリシャリ音」という状況には至らないでしょう。

実質的に、３０mや１００m（あるいはそれ以上）まで音を提供する場合、振動板形状がどうのこうの、と言わず、とにかく大面積にする事で狭い指向特性を持たせる方向と、防災無線等のように大型のホーンスピーカーを用いているのが現実です。

振動板自体を平面にしたユニットは、過去に各社が独自方式等で探求された時代も在ります。

それぞれに「良さ」は在ったのですが、同時に何らかの「弱点」も在ったので、徐々に減ってしまったのです。

リンク先の構造は、フォステクスも採用したタイプです。
http://audio-heritage.jp/FOSTEX/speaker/gz2001.html

このタイプは振動板の振幅を大きくできにくいので、低域にはコーン型を採用しています（と言っても、これもまた手が混んで非常に高額に成るエッジレスウーファー、、そんなんだから、こういう価格設定に成るんだよなぁ。。。）

なお、同じ動作原理で今でもヘッドホンは存在しています。
https://www.fostex.jp/products/t20rp-mk3n/

そうそう。ヘッドホンやイヤホンを耳から少し離すと「シャカシャカ音」に聞こえますよねぇ。これは単なる距離差だけではなく、装着したときの密閉異空間による影響を前提とした設計なので、また違った部分の極端な状況ですよ。

振動板形状だけで、平面波、球面波と決めつける事にはムリが在ります。
周波数（波長）により、一部の帯域がほぼ平面波に近いとか、一部の帯域は点音源と見なす事ができるとか、また振動板自体の波形だけではなく多数個使いによる合成波形で考えるべき範囲等や、大型ホーンのように、空間放射に決定的な違いが在ったり等、全体出考えませんと、、、、ネ♪

お礼

回答ありがとうございます。
リンク先は「明白な机上の空論」に間違いないと思います。

私も、1０kHzなどは指向性が狭くなるので、
コーン型でも平面型でもドーム型でも殆ど変わらなくて
１０m以上では高域の減衰が顕著になって図の様な特性は有り得ないと思います。

平面スピーカーでも音圧低下が少ない効果は、
振動板形状だけで平面波、球面波と決めつける事にはムリが在り、
一部の帯域が平面波近似とか、点音源近似とか、振動板自体の波形だけではなく多数個使いコラム型による合成波形や、大型ホーン等、全体で考える必要があり、それほど効果が出ないので？と思います。
メーカーもユーザーも指向性がするどくなるはずと思い込んでいるのでは？
文句があるなら無響室近似で、
1ｍと30ｍの周波数特性図を出して欲しいものですね。

回答No.4

John_Papa

No.1です。追加です。

騒音の資料ですが
https://www.env.go.jp/policy/assess/5-2tech/3taiki/taiki/siryo/sheet_souon.html
の添付資料[2]予測モデル　に面音源の距離減衰が記載されています。
正方形より長いラインアレイの方が振動面積も増えるのですが、到達距離が延びるようです。（グラフは短辺の何倍という尺度になっている）
それでも短辺の数倍以上では点音源と同じ減衰カーブを描いています。
距離30mとかという中長距離の場合の参考になるのではないでしょうか？

お礼

ありがとうございます。
音源近くでは音圧低下が緩やかでも、距離が離れると直線的に低下するグラフは、球面波で発生する音が距離に比例して音圧が低下することと思います。
騒音ならピンクノイズに似ていると思うので参考になりましたが、周波数ごとの特性は書いてないようです。

回答No.3

DCI4

平面スピーカーは振動板面がフラットで面音源なので平面波で伝達するので遠くでも音圧低下が小さいと主張するこの記事などがあります。

高音しゃりしゃりの音になるのでは？と想像しますが

★まちがいよ　おおむね　いんちき

平面スピーカーで距離での比較を実際に測定した、
周波数特性図などはあるのでしょうか？

★回答　面音源の計算　測定

点音源を並べたものと同じ計算になる
計算上は　点音源の積分したもの

点音源（振動点）～測定点（マイクロフォン）までの伝達関数の積分で求まる

スピーカーアレーの周波数特性
ラインアレーSPと同じ要領で　計算すりゃOK

http://www.toa.co.jp/otokukan/otolabo/theme2/at2.htm
たとえばこれと考えは同じ

点音源の並べ方　形状により

angle(試聴距離,振動版大きさ)=angle(x,y) x軸の正方向と点 (x,y) のなす角度をラジアンφ表記すれば
φ1～φ2　と変化する

点音源～測定点までの　概略の伝達関数は

exp（-ｊω×（1/cos(φ)×360））を　　φ1～φ2　まで積分する

その積分した伝達関数から周波数振幅特性　と　位相特性　（群遅延特性）が出る

出し方は勉強はこれ↓
振幅スペクトル　グラフ
https://okwave.jp/qa/q9080187.html
参考
振幅スペクトルと位相スペクトルのグラフ作成
http://okwave.jp/qa/q9069692.html

★測定すると計算と一致すると言う　流れとなる

よって　まちがいよ　周波数特性はフラットにはならん

測定は専門音響設備なくても　近傍ならおおむね可能
昨今はクロススペクトル法などでPC測定出来る

ざっくり　おおむね　グラフのとうり・・・・・以前にやった結果のサンプル抜粋
おおむね高域でスロープして落ちてくる　　青の特性サンプル
緑は比較参考のため　一次落ちの伝達特性を描画

ちなみにここでは　おおむね　ただしい回答は得られん
へんな　オーディオマニアのおっさんの　書き込みとかあるし。。。

学問・教育 情報工学　物理　電気

で質問するべきよ

・・・・ざっくり　まじめ　回答　終わり・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

お礼

ご紹介URLのTOA記事で、ライン長30cmのコラム型が、
30cm平面スピーカーや38cmスピーカーと同等特性として計算したら、
8000Hzでも有効距離が1ｍ位以下では全然効果が出ない。
ライン長0.8mは8000Hzが有効距離が7.3mで10dB位しか上昇しないし、
ライン長1.6ｍも有効距離29ｍで約10dB位上昇の計算になりました。

計算間違いかも？ですが、大口径スピーカー1ｍ近辺は干渉で高音が低下するが、遠距離になると高音低下が改善されることを言っていると思います。
それで大口径やコラム型やバーチカルツイン型では高音が出にくいので、
ツイーターを付けて対策してあるものが多いと思っています。

グラフを添付頂きました、ありがとうございます。
球面波では1kHzから高音ほど-6dB(0.5倍)/octで低下するが、
平面波では-3dB(0.7倍)/octで低下する表示と思いますが、
振動板直径と測定距離の具体的数値が私には分かりません。
例えば理論値で口径20cm振動板が、
高音ほど-12dB(0.25倍)/octで振幅した場合に測定距離が1mと、
10mでの20-20kHzの周波数変化の特性図が欲しいのです。
見当たらないので作って頂けませんか？

回答No.2

nijjin

さすがに30ｍではまともな状態で届かないでしょう。
遠くに届かせるタイプのスピーカーではないので実用的な距離はせいぜい数メートルがいいところです。
オーディオ用の平面スピーカーが出ていたのはバブルの頃までなのと各メーカーで独自の部分もあり周波数特性図は個人で見れるようなものは残ってないのでは？
かつてはこんなのもありましたがもはや個人で使えるものではありませんね。
Ｔｅｃｈｎｉｃｓ　ＳＢ-ＡＦＰ１０００

http://www.niji.or.jp/home/k-nisi/afp1000.html

お礼

回答ありがとうございます。
URLのような平面スピーカーが流行したことがありましたが、
コーン紙内部に発泡スチロールなどを充填して、
ハニカム構造の平面振動板を付けた物が主流だったと思います。
ボイスコイルの振幅が振動板まで伝わる損失が多くて高音が低下するのでツイーターで対策していたと思います。

振動板がフイルム状の平面振動板がありますが、20cm口径位でも高音が低下するみたいで、指向性でも普通のスピーカーと殆ど違わないと思います。