スピーカーユニット裸でも直前では低音が出る理由は？

質問

スピーカーユニットを裸で直前で聴く場合は、低音が良く出るのはどういう理由でしょうか？
（ユニットが裸のままだと背面の逆相音がすぐに前面の音に干渉して低音が出ないので密閉箱などに入れるとされているはずですが）
想像でも良いのでご意見願います。

　回答が無かったので再質問です。
https://okwave.jp/qa/q9772895.html

回答No.5

John_Papa · ベストアンサー

こんにちは。

単純に回折で後ろの音が前に回ってきて打ち消したり、室内の壁に反射して打ち消したりというだけの問題ではないでしょう。

エアチューブイヤホンであったり、エッジレススピーカー(例 FOSTEX SLE33W)であったりエアベアリングであったり、障壁の超近距離や狭い場所での空気は、広い空間とは違った挙動をする事が漠然とですが知られてます。
飛行機の地面効果(Ground Effect)は翼の長さより低い高度で現れると言われます。
直径4cmの振動板で距離2cmなら充分に働く範疇でしょう。収音マイクの振動板面積の影響もでることでしょう。
製品や離着陸の訓練があるのですから、非公開のデータはあるでしょう。
しかし、少なくともネット上に公開された論文などは、見つけられませんでした。

ここは、理論がどうこう、計算式がどうこう、という（考察）より、地道に条件ごとの（振動板面積・振動板質量・振幅に、マイク特性・気温・気圧・湿度など環境を添えて）データを収集する観察ステップ（実験・観察→推論→仮説→検証・実験→考察　の循環）の段階だと考えます。

一人で考察までたどり着けなくて、観察データ段階で公開しても良い訳で、遮音壁の効果予想に使われてる「前川チャート」などのように数十年後には名を遺すかもしれません。科学とは、そういうものです。
観察不十分で、推論や仮説で暴走しては、科学とは呼べません。

お礼

やはり公開された論文などは、見つけられないです。
無限大壁バッフル2π空間シミュレーションが主流ですが、空中に置く4π空間に置く普通のスピーカーでのシミュレーションも見当たらないし、汎用品やヘッドホンなどで振動板だけの振動板型も理論式さえ無いのは不思議に思います。

振動板全体の音を試算する理論が難しすぎて困難だからと思いますが、スピーカが100年以上経つのに未だに（実験・観察→推論→仮説→検証・実験→考察　の循環）の段階だと思うと悲しいです。
　今はPC、スマホで簡単に測定出来るのでどしどし測定してもらって科学的に測定図で議論し合うオーディオ界を夢見ます。
回答ありがとうございます。

回答No.7

John_Papa

No.5です。お礼ありがとうございます。

『理論が難し過ぎて困難』なのではないのです。
理論は最後の「考察」で検討されるものです。
なにか新しい事を研究する時は理論が無くてあたりまえなのです。

他の人の「理論」が違うと感じたら「観察」に戻り、自分で現象を観察して地道にデータを集め、そこから傾向（推論）を捜し出して、何種類かの式（仮説）を立て、再現実験（検証）を行い、その結果（の考察）から「理論」を導き出す、訳です。その理論が、あまり役に立たない仮説の域を出ない場合も多いです。観察が足りなくて推論が間違っていたり、仮説が間違っていると偶然嵌ってしまう場合もあるかもしれませんが、良い検証結果はえられません。

『　今はPC、スマホで簡単に測定出来るのでどしどし測定してもらって科学的に測定図で議論し合うオーディオ界を夢見ます。』
趣旨に反対はしませんが、（スマホで）測定するには、共通の前提が必要となります。音を収集するにはマイクが同じ条件設定である必要があります。
そうしないとデータ比較の基準が無いから、当然です。
キャリブレーション方法が明確でない独自研究記事に書かれているデータ数字は宛にできません。
スマホのマイクは感度も周波数特性も違いますし、音声の明瞭度を高める為に複数マイクの合成であったりアナログやデジタルのフィルターが介入するものもあります。またスマホ筐体のマイク用バッフル効果も考察に入れる必要があります。
スマホのfftアプリもマイクの正しいキャリブレーションができない故に当てにならない訳です。
『どしどし測定してもらう』のであれば、最低でもマイクのキャリブレーションくらいはしておく必要があります。部品固体に因る感度差はありますが、キャリブレーション無しで比較できる唯一の方法として機種限定で協力を募りますか。それでも、論文公開する為には、いつかそのマイクの特性を測定して明らかにする必要はありますけれど。

このような超近接距離では、測定用マイクの口径の影響も無視せずに調べる必要がありますね。他にも、気温・湿度・暗騒音レベル・最寄りの反射物からの距離なども付帯データに欲しいですね。

スピーカーの口径というバッフル効果に因る回折干渉の影になってるだけじゃなくて、音響界の気付かなかった新現象が発見できるかもしれません。あるいは無駄になるかもしれません。（無駄も自身にとっては発見です）
夢見つづけるだけじゃなくて、データ収集から始めて新しい「理論」を起こしてください。

お礼

スピーカーユニットを箱などに入れずに裸で聴く方法は振動板だけが在るように見えるので私は振動板型と呼んでいましたが、正式には後面開口型と言うみたいです。
大型のダイナミック型の平面スピーカーや、コンデンサースピーカーでも実用になっているのですが、ヘッドホンドライバーも出すぎる低音制御のために前面音がすぐ後面に回り込む設計になっているので動作の形では後面開口型と言えるようです。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%94%E3%83%BC%E3%82%AB%E3%83%BC
エンクロージャーによる分類に、平面バッフル/後面開口型（ダイポール型）
と記載されていますが、後面開口型の内容が分からないのでしょうか記事が在りません。
普通は箱の後ろが空いている後面開放型がギターアンプ用とか汎用機器に使われているので、後面開口型はそれと間違いやすいし周知されていなくて死語になっているようですので別に質問にします。

PCやスマホのエレクトレットコンデンサーマイクは安価な全指向性圧力型マイク内臓が主流で、速度型指向性ボーカルマイクみたいには距離で特性が変化することが無いので測定用コンデンサーマイク同様であっておよその測定が出来ます。

回答No.6

tetsumyi

箱に入れるとコーン紙の動きは内部の圧力変化で抑えられますが、箱がなければコーン紙は動き易くなって重低音まで軽く出せます。
ただ、振幅が大きくなるとリニア領域を超えるようになって音が歪むでしょうが直前で聞く場合は入力も小さいでしょうから問題ないでしょう。
できれば顔にくっ付くくらいまで近づけて聞けば一方からの音が回り込まなくなってさらに低音域が良く聞こえるでしょう。
それだけでなくステレオで聴くと、左右の音のクロストークがなくなって物凄く澄んだ音で圧倒的な臨場感となるはずです。
殆んどの人は気付いていませんがステレオスピーカーは音のクロストークによって濁って奥行きがなくなり物凄くショボイ音となっていますが、これが生の音を再現できない最大の原因となっています。

お礼

箱がなければコーン紙は動き易くなってFsまで軽く出せるのですが、耳に近づけて耳元を密閉する位に聞けばさらに低音域が良く聞こえています。
　ヘッドホンは過大になる低音を耳元を半密閉など調節する分スピーカーよりも1000倍位能率が良いのですが、クロストークによって濁ることも無いけど頭内定位の問題があると思いますが、音質にこだわる人でもLR耳に来る音の測定をしていない人が多いのでは？と思いますがどうなんでしょうか？
回答ありがとうございます。

回答No.4

HAL2（@HALTWO）

A No.2 HALTWO です。
御礼、有難う御座います(^_^)/

後面解放型も平面 Baffle 型も波動物理学上の厳密な計算式は公開されていないと思います。
箱の容積と共鳴管の口径及び長さから共鳴周波数を求められる Bass Reflex Enclosure では Driver Unit の形状や有効振動面積なんか関係なしの式になりますが、後面解放型は Driver Unit の形状及び有効振動面積と部屋の構造 (或いは無響音室) といった Factor で大きく変化しますし、振動させる空気の質量 (温度、気圧、湿度) と振動板の駆動力も関係してくるでしょうから厳密な計算を行うには Super Computer による Simulation が必要かも知れませんね(^_^;)。

一般に後面解放型 (小型平面 Buffle に補強板として浅い側面を付けたようなもの) と平面 Baffle 型は、部屋の容積や縦横高を無視した非常に大まかな計算式として嘗て長岡鉄男氏が示した Bfo＝4250/L という式が用いられます。(L は Driver 中心から最短の Baffle 端までの距離 (cm)、Bfo は期待できる fo 周波数)。

例えば Driver 中心から Baffle 上端までが 60cm の場合、Bfo＝4250/60≒70 より 70Hz ぐらいまでは出せると期待するわけですが、当然ながら Driver Unit の Fo が Bfo よりも低い 8inch 径以上の Full Range Speaker Unit では例え fo＝40Hz の Unit であろうと 70Hz 以下は背面からの干渉で充分な音圧が得られないという事になります。

因みに平面 Baffle 型は Driver Unit を Baffle Center からずらして配置するのが普通です……Baffle Center に配置すると全周方向 (主に 4 方向) からの回り込みが同期して干渉による Dip が大きくなるからで、Baffle Center を外せば比較的小さな Dip が複数できてなだらかな減衰特性にする事ができるからです。

また、平面 Baffle 型は共鳴現象を利用しない事から Driver Unit 自体が共振し易いものの方が有利であり、密閉箱に入れるとボンつくような実効 Qo (Qtc)＞0.8 以上の Paper Cone Full Range Unit 等の方が良く、駆動する Amplifier も Dumping Factor の低い真空管 Amp' の方が良いとされています。

なお、長岡式平面 Baffle 型 Speaker System の Bfo 期待式はあくまでも天井の低い日本に於ける 6 畳～20 畳程度の部屋で、左右 Speaker 中心から 2～5m 程度の位置を Listening Point と想定して実験を繰り返した概算式ですので、無響音室では全く使えませんし、他の Enclosure でもそうですが、部屋の大きさや構造で大きく変化します。

Enclosure を持たない超小型 Speaker Unit や Enclosure 容積が限りなく Zero に近い密閉型 Headphone Driver Unit を両耳のすぐ近くに配したような Wearable Speaker System では無響音室や地上数十m に Driver を吊したようなものになるでしょうから後面解放型とも平面 Baffle 型とも異なる計算式になる筈です。

まぁ上記の Bfo＝4250/(Driver Unit 半径) から下は急激に減衰するのでしょうが、これを Graphics Equalizer で補正した Curve の逆値が実効周波数特性となるのですから実験はそう難しいものではなさそうですが……。

素敵な Audio Life を(^_^)/

お礼

後面解放型、平面バッフル型、振動板型の厳密な計算式は公開されていないようですが、原理を知る上での簡略計算は音響の基本に最低限必要と思います。
計算が得意な人には作れるのではないでしょうか？

　長岡鉄男氏のBfo＝4250/L という式ではバッフル直径1.2ｍ の場合は4250/60≒70Hzぐらいまでは出せると期待するわけですが、50cmとか1ｍ前で聴く時の計算であって、数cm前で聴く場合の位相関係のはずで、音源から遠くなると1/距離で減圧することは考慮されてないはずです。
特に振動板型では全面合計の音圧計算が要ると思います。

ヘッドホンは耳元を密閉すると低音が過大になるので、ユニットを裸で使う振動板型として、数cm前で聴く方式なので、低音が出にくいドライバーを使って、耳元は半密閉とし、背面の穴を開けて適度に低音を逃がすことでフラット特性にしてあるようです。振動板型の参考になります。https://www.youtube.com/watch?time_continue=789&v=mb6TZAKwrK0&feature=emb_logo
回答ありがとうございます。

回答No.3

okok456

難しいことは分かりませんが

背面の壁、あるいはスピーカーのフレームに反射し逆相となり打ち消す。
バスレフ位相反転させているようです。
https://www.phileweb.com/magazine/audio-course/archives/2007/06/28.html

お礼

口径5cmユニットで実験しているのですが、密閉型では距離が変わっても低音は変化しませんが、
小穴を開けて中音増強のバスレフ型にすると、ユニット近くでは低音が大きく成るけど遠くでは小さくなります。
　この事から、ユニット近くでは音圧にならない虚部の影響で低音が大きく成ると推察しています。
指向性マイクの近接効果と全指向性マイクの動作と同じようになるようです。
　振動板型には背面の壁やフレームの反射は無くて、箱が無いのでバスレフ位相反転でも無いと思います。
回答ありがとうございます。

回答No.2

HAL2（@HALTWO）

低音は殆ど指向性を持たず、出たら直ぐに全周に広がっていってしまいます。
一方、高音は指向性が鋭いのでなかなか広がりませんが、
Speaker Unit に顔を突っ込むようにして聴けば Unit の後ろから出る逆相波が耳近くに回り込んで来て前から出る正相音を打ち消す事無く、正相音だけを聴ける事になります……高音も真正面で聴くのですからしっかりと聴こえます。
私は小学生の頃、蓄音機から取りだした PIONEER PE20 という 8inch Full Range Unit に SONY TC-101 という真空乾式 Portable Open Reel Tape Recorder の Earphone Jack 出力を繋いで PE20 Speaker Unit に顔を突っ込むようにして聴いていました(笑)
……蓄音機が壊れてしまったので Speaker Unit を Salvage したのですが、新しい Enclosure を自作して Amp' を買ったのは中学生になってからです(笑)。

逆相の低音波が回り込んで正相波を打ち消してしまう経路は「回り込む」分だけ長くなりますので、その分 Power が弱まります。
この Power をもっともっと弱めて低音を打ち消さないようにするのが平面 Baffle Speaker とか後面解放 Speaker と呼ばれるもので、Baffle (隔壁) が大きければ大きいほど低音の回り込みが少なくなって低音が出るようになりますが、Speaker Unit から 30cm の距離で聴く場合は Buffle 幅が 1m であろうと 2m であろう回り込みは殆どありません(^_^;)。

密閉箱は回り込みを完全に押さえ込む事ができますが、箱内部の空気圧が振動板の動きを制するので大きな振動幅を要する低音は出にくくなります。
一方 Bass Reflex (低域反射) 箱等はその名の通り逆相の低域波を反射して正相にすると共に共鳴管や Backload Horn 等で遅延増幅して正相波と混合しますので低域が増加します。
密閉箱や平面 Baffle は「逆相波と正相波の干渉を避けるためのもの」であるのですが、Bass Reflex 箱や Backload Horn 箱は「逆相波を反射させたり遅延させたりして正相波にする事で低域増幅に利用するもの」になっています。

素敵な Audio Life を(^_^)/

お礼

詳細な回答をありがとうございます。
厳密にはバッフル型や後面開放型の計算とは違う計算になると思います。
　コンデンサースピーカーや平面スピーカーには振動板だけでスピーカーユニットを裸で鳴らすのと同様の振動板型があります。
　低音は、Speaker Unit に顔を突っ込むようにして聴けば Unit の後ろから遅れて長い距離で来る逆相波は正面正相音よりも小さいので正面の音圧減衰は小さいと思いますが、位相も関係するはずですし、振動板各部の音圧総計計算も難しいと思います。
振動板型の計算式はありませんか？
　又、音源近くの90度の虚部が関係しているように思うのですがどうでしょうか？私の思い過ごしのようにも思えてきました。

回答No.1

chachaboxx

ユニットの直前なら裸でなくても低音がよく伝わると思います。

裸でも打ち消されにくいのは、直前だと反位相の疎密波で打ち消される前に耳に音が届くからではないでしょうか。

お礼

なるほど、正面に逆相で-0.5の音が干渉して+0.5の音になって、遠く離れて正面に逆相で-0.9の音が干渉して+0.1の音になるのでユニットに近いほど低音が良く出る計算もあり得ると思います。
　又、100Hzの音は3.4ｍも波長があるのですぐ低下するのでは？などと思ったりもしています。
音源近くには音圧にならない位相遅れの虚部が一番関係するように思うのです。
　具体的説明を見つけられないので困っています。
回答ありがとうございます。