スピーカーの種類
音響レンズとドーム型膜を備えたダイナミック ツイーターの断面図。
  1. 磁石
  2. ボイスコイル
  3. サスペンション

ツイーターまたはトレブルスピーカーは、特殊なタイプのスピーカー(通常はドーム型、逆ドーム型、またはホーン型)で、通常2,000~20,000Hzの高音域を再生するように設計されています。この名称は、一部のが出す高音(「ツィーター」)に由来しており、特に多くのが出す低音(「ウーファー」)と対照的なことから、低周波ドライバー(「ウーファー」)と呼ばれています。

手術

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インフィニティスピーカーのポリセルツイーター。コンポーネントを示す。
Ohm CAM 16 スピーカー(エッグツイーター搭載)

ほぼすべてのツイーターは、固定磁場内に吊り下げられたボイスコイルを使用する電気ダイナミックドライバーです。これらの設計は、アンプ回路の出力からボイスコイルと呼ばれるワイヤのコイルに電流を流すことで動作します。ボイスコイルは変化する磁場を発生させ、その磁場が永久磁石の固定磁場に抗して作用し、その周囲に円筒形のボイスコイルが吊り下げられています。これにより、ボイスコイルとそれに取り付けられた振動板が強制的に動きます。この機械的な動きは、アンプの出力からボイスコイルに供給される電子信号の波形に似ています。コイルは振動板に取り付けられているため、ボイスコイルの振動運動が振動板に伝わり、振動板が空気を振動させることで空気の動き、つまり可聴波が生成され、これが高音として聞こえます。

現代のツイーターは、ウーファーの小型版であった古いツイーターとは一般的に異なります。ツイーター技術の進歩に伴い、様々な設計が普及してきました。多くのソフトドーム型ツイーターの振動板は、ポリエステルフィルム、またはポリマー樹脂を含浸させたシルクやポリエステル繊維から熱成形されています。ハードドーム型ツイーターは通常、アルミニウム、アルミニウム-マグネシウム合金、またはチタンで作られています。

ツイーターは、電気信号を何も加えたり減らしたりすることなく機械的な空気の動きに変換することを目的としていますが、このプロセスは不完全であり、現実のツイーターにはトレードオフが伴います。ツイーターの設計と製造における課題としては、信号が終了した際にドームの動きを速やかに停止させるための適切な減衰力の確保、低周波数帯域における高出力を可能にするサスペンションの直線性の確保、ドームが移動する際に磁石アセンブリとの接触を回避し中心を維持すること、そして過度の質量を加えることなく適切なパワーハンドリングを実現することなどが挙げられます。ツイーターは高音域に焦点を当てることで、バランスの取れた豊かなオーディオ体験に貢献します。[ 1 ]

ツイーターは、低音域を生成するウーファーと連携して動作することもできます。[ 2 ]

一部のツイーターは、メインエンクロージャーの外側に半独立型のユニットとして設置され、「スーパーツイーター」と呼ばれます。後者はプラグイン式で、リスナーの位置や好みに応じて音場を調整するために回転します。バッフルからの距離は、ツイーターにとってバッフルは可能な限り小さい方が最適であるという理論に基づき、最適とされています。[ 3 ]

範囲

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ほとんどのツイーターは、人間の可聴範囲の上限(通常は20 kHzとされている)までの周波数を再生するように設計されています。中には、約2 kHzから20 kHzまでの周波数で動作するものもあります。より広い周波数帯域を持つツイーターは、心理音響試験、オーディオマニア向けのスーパーオーディオCDなどの拡張帯域デジタルオーディオ、動物の音への反応を研究する生物学者、動物園のアンビエントサウンドシステムなどのために設計されています。リボンツイーターは、80 kHz [ 4 ]や100 kHz [ 5 ]まで再生可能です。

ドームの材質

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すべてのドーム素材には、長所と短所があります。設計者がドームに求める 3 つの特性は、低質量、高剛性、優れたダンピングです。Celestionは、金属である銅でドーム ツイーターを製造した最初のメーカーです。今日では、アルミニウムチタンマグネシウムベリリウムなどの他の金属や、それらのさまざまな合金が使用されています。これらは軽量かつ剛性が高く、ダンピングが低いため、共振モードは 20 kHz より上で発生します。合成ダイヤモンドなどのより特殊な素材も、その極めて高い剛性のために使用されています。ポリエチレンテレフタレートフィルムと織物シルクはリンギングが少ないですが、それほど剛性が高くないため、非常に高い周波数の出力が制限される可能性があります。

一般的に、小型ドームツイーターは高周波数帯域でより広い音拡散性を発揮します。しかし、小型ドームツイーターは放射面積が小さいため、低音域の出力が制限されます。また、ボイスコイルも小さいため、全体的な出力も制限されます。

磁性流体

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磁性流体は、非常に小さな(通常10nm)酸化鉄磁性粒子を、揮発性の非常に低い液体(通常は合成油)に懸濁させたものです。粘度と磁気密度の幅広いバリエーションが用意されているため、設計者は減衰、冷却、またはその両方を追加できます。また、磁性流体はボイスコイルを磁気ギャップの中心に配置し、歪みを低減するのにも役立ちます。この流体は通常、磁気ギャップに注入され、強力な磁場によって所定の位置に保持されます。ツイーターに高出力が加えられると、キャリア液の一部が蒸発し、磁性流体の粘度が上昇します。極端な場合には、ツイーターの音質と出力レベルが低下する可能性があり、流体を除去して新しい流体を注入する必要があります。

プロフェッショナルサウンドアプリケーション

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音響強化や楽器用途向けに設計されたツイーターは、ハイファイツイーターと概ね類似していますが、通常はツイーターではなく「高周波ドライバー」と呼ばれます。主な設計要件の違いは、繰り返しの輸送や取り扱いを想定して設計されたマウント、高音量と音の拡散制御を向上させるためにホーン構造に取り付けられることが多いドライバー、そして一般的に発生する高出力に耐えられるようより堅牢なボイスコイルです。PAホーンの高周波ドライバーは、ドライバーの振動板とホーンスロート間の音響結合モードから 「コンプレッションドライバー」と呼ばれることがよくあります。

コンプレッションドライバーの振動板の製造には、チタン、アルミニウム、フェノール含浸繊維、ポリイミドPET フィルムなど、それぞれ独自の特性を持つ様々な材料が使用されています。振動板は、熱に対して破れや大きな寸法変化を生じさせることなく耐える必要があるため、通常はドームとは異なる材料で作られたボイスコイルフォーマーに接着されます。この用途では、ポリイミドフィルム、ノーメックス、グラスファイバーが一般的です。サスペンションは振動板の延長である場合があり、取り付けリングに接着されます。取り付けリングは、溝に嵌め込んだり、位置決めピンに被せたり、機械ネジで固定したりできます。振動板は通常、逆ドームのような形をしており、位相プラグと呼ばれる中央構造の一連のテーパードチャネルに収まります。位相プラグは、振動板のさまざまな領域とホーンスロート間の経路長を均等化し、振動板表面の異なるポイント間の音響的な打ち消し合いを防ぎます。位相プラグは、ホーン自体の始まりとなるテーパードチューブに排出されます。ドライバー内部のこのゆっくりと広がるスロートは、ホーンフレアへと繋がっています。ホーンフレアはカバレージパターン、つまり指向性を制御し、音響トランスフォーマーとしてゲインを付加します。プロ仕様のホーンとコンプレッションドライバーの組み合わせの出力感度は、105~112dB/ワット/メートルです。これは、他のツイーター構造に比べて大幅に効率が高く(小型のボイスコイルとフォーマーへの熱的負荷も軽減されます)、優れた特性です。

ツイーターの種類

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コーンツイーター

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マランツ5Gスピーカーのコーンツイーター

コーン型ツイーターはウーファーと同じ基本設計と形状を持ちますが、高周波数帯域での動作に最適化されています。その最適化は通常、以下の通りです。

  • 非常に小さくて軽い円錐なので、素早く移動できます。
  • 剛性(あるメーカーの製品ラインではセラミックコーンなど)、優れた減衰特性(紙、シルク、コーティングされた布など)、またはその両方に基づいて選択されたコーン材料。
  • 他のドライバーよりも硬いサスペンション(またはスパイダー) - 高周波数再生にはそれほど柔軟性は必要ありません。
  • 小さなボイスコイル(通常は 3/4 インチ)と軽い(細い)ワイヤも使用されており、ツイーター コーンの高速移動にも役立ちます。

コーンツイーターは、1960年代から1970年代にかけて設計・製造された古いステレオHi-Fiスピーカーで、ドームツイーター(1950年代後半に開発)の代替として人気を博しました。今日のコーンツイーターは比較的安価なものが多いですが、Audax/Polydax、Bozak、CTS、JBL、Tonegen、SEASなどのメーカーが製造した過去の製品の多くは高品質でした。これらのビンテージコーンツイーターは、非常にフラットな周波数特性、低歪み、高速過渡応答、低い共振周波数、そして緩やかな低域のロールオフ特性を備えており、クロスオーバー設計が容易でした。

1960年代から1970年代にかけての代表的なスピーカーは、CTSの「フェノールリング」コーン型ツイーターで、2,000Hzから15,000Hzまでフラットな特性、低歪み、そして高速な過渡応答を特徴としていました。CTSの「フェノールリング」ツイーターは、オレンジ色のエッジサスペンションリングを持つフェノール樹脂製であることからその名が付けられました。このツイーターは、多くのメーカーやモデルの高評価ヴィンテージスピーカーに採用され、中価格帯の製品でした。

コーン型ツイーターは、コーン型ウーファーと同様に、より狭い拡散特性を持っています。そのため、多くの設計者は、コーン型ミッドレンジやウーファーとの相性が良く、優れたステレオイメージングが得られると考えていました。しかし、コーン型ツイーターの狭い拡散特性によって生じる「スイートスポット」は小さいです。コーン型ツイーターを搭載したスピーカーは、部屋の隅に設置することで最良のステレオイメージングが得られ、これは1950年代、1960年代、そして1970年代初頭によく行われていました。

1970年代から1980年代にかけて、より高品質なオーディオファイル向けディスクの普及とCDの登場により、コーン型ツイーターの人気は下降しました。これは、コーン型ツイーターが15kHzを超える高音域を再生することがほとんどなかったためです。オーディオファイルの間では、コーン型ツイーターはドーム型ツイーターなどの「空気感」に欠けていると感じられていました。しかしながら、1980年代半ばまで、Audax、JBL、SEASといったメーカーによって、多くの高級コーン型ツイーターが限定生産されていました。

コーン型ツイーターは、現代のハイファイ用途ではほとんど使用されておらず、純正カースピーカー、コンパクトステレオシステム、ブームボックスといった低価格帯の用途でよく見られます。最近では、一部のブティックスピーカーメーカーが高級コーン型ツイーター、特にCTSフェノールリング型ツイーターの復刻版に回帰し、ヴィンテージサウンドの製品を生み出しています。

ドームツイーター

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直径25mmのチタン製膜を備えたドーム型ツイーター。JBL TI 5000スピーカーボックスより。1997年頃。

ドーム型ツイーターは、ボイスコイルをドーム(織物、薄い金属、またはその他の適切な材料で作られる)に取り付け、低コンプライアンスサスペンションを介してマグネットまたはトッププレートに固定することで構成されます。これらのツイーターは通常、フレームやバスケットを持たず、マグネットアセンブリに取り付けられたシンプルなフロントプレートを備えています。ドーム型ツイーターはボイスコイルの直径によって分類され、19 mm(0.75インチ)から38 mm(1.5インチ)まであります。現在Hi-Fiスピーカーに使用されているドーム型ツイーターの圧倒的多数は、直径25 mm(1インチ)です。

バリエーションとして、コーンまたはドームの「サスペンション」が主要な放射要素となるリング型ツイーターがあります。これらのツイーターは、標準的なドーム型ツイーターとは異なる指向特性を持っています。

ピエゾツイーター

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ピエゾ(または圧電)ツイーターは、機械的な振動板に結合された圧電結晶で構成されています。音声信号が結晶に印加されると、結晶は表面にかかる電圧に比例してたわみ、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します

電気パルスを機械振動に変換し、返された機械振動を再び電気エネルギーに変換することが、超音波検査の基本です。能動素子はトランスデューサーの心臓部であり、電気エネルギーを音響エネルギーに変換し、音響エネルギーを電気エネルギーに変換します。能動素子は基本的に、反対の2つの面に電極が取り付けられた分極した材料(分子の一部が正に帯電し、分子の別の部分が負に帯電している)です。材料に電界が印加されると、分極した分子は電界に沿って整列し、その結果、材料の分子または結晶構造内に誘導双極子が生じます。この分子の整列によって、材料の寸法が変わります。この現象は電歪として知られています。さらに、石英(SiO 2)やチタン酸バリウム(BaTiO 3)などの永久分極材料は、機械的な力が加えられた結果、材料の寸法が変わると電界を生成します。この現象は圧電効果として知られています。

ピエゾツイーターは、その低音忠実性のため、ハイエンドオーディオではほとんど使用されていません。しかし、1970年代後半の高級オーディオ機器には、従来のドームツイーターと組み合わせてスーパーツイーターとして採用されたCelef PE1など、ピエゾツイーターが採用されていました。玩具、ブザー、アラーム、ベースギターのスピーカーキャビネット、安価なコンピューターやステレオのスピーカー、PAホーンなどによく使用されています。[要出典]

リボンツイーター

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フィリップスリボンツイーター

リボンツイーターは、非常に薄い振動板(多くの場合アルミニウム、あるいは金属化プラスチックフィルム)を用いて、アルミニウム蒸着法で作製される平面コイルを強力な磁場(通常はネオジム磁石によって発生)に懸架することで高周波を再生します。リボンツイーターの開発は、リボンマイクロフォンの開発とほぼ同時に進められてきました。リボンは非常に軽量な素材であるため、非常に高い加速性能と広い高周波応答特性を備えています。リボンは従来、高出力を得ることができませんでした(大きな磁石ギャップが磁気結合の悪さにつながることが主な理由です)。しかし、数千人の聴衆を収容できる大規模な音響強化ラインアレイシステムでは、リボンツイーターの高出力版が一般的になりつつあります。ほぼすべてのリボンツイーターは、非常に広い水平方向の拡散(カバレッジ)と非常に狭い垂直方向の拡散という、本質的に優れた指向特性を備えているため、これらの用途においてリボンツイーターは魅力的です。これらのドライバーは垂直方向に容易に積み重ねることができ、従来のツイーターよりもスピーカーの位置からはるかに離れた場所でも高い音圧レベルを生み出す高周波ラインアレイを構築できます。

平面磁界ツイーター

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スピーカー設計者の中には、平面磁界型ツイーター(準リボン型と呼ばれることもあります)を使用する人もいます。平面磁界型ツイーターは一般的にリボン型ツイーターよりも安価ですが、金属箔リボンが平面磁界型ツイーターの振動板よりも軽量で、磁気構造も異なるため、厳密には同等ではありません。通常は、薄いPETフィルムまたはプラスチック片に、ボイスコイル線を垂直方向に多数回通して配置したものが使用されます。この磁気構造はリボン型ツイーターよりも安価です。

静電ツイーター

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Shackman MHT85 静電ツイーター。

電型ツイーターは、フルレンジ静電型 スピーカーや静電型ヘッドフォンと同じ原理で動作します。このタイプのスピーカーは、薄い導電性コーティングを施した薄い振動板(通常はプラスチック、特にPETフィルム)を、ステーターと呼ばれる2枚のスクリーンまたは穴あき金属板の間に吊り下げて配置しています。

駆動アンプの出力は、センタータップ付きの二次側を持つ昇圧トランスの一次側に印加され、トランスのセンタータップと振動板の間に数百ボルトから数千ボルトという非常に高い電圧が印加されます。このタイプの静電型オーディオアンプでは、必要な高電圧を供給するために高電圧電源が必須です。ステーターはトランスの残りの端子に接続されています。オーディオ信号がトランスの一次側に印加されると、ステーターは180度位相がずれた状態で電気的に駆動され、振動板を交互に吸引・反発します。

トランスを使用せずに静電型スピーカーを駆動する珍しい方法は、プッシュプル真空管アンプのプレートをステーターに直接接続し、高電圧電源を振動板とグランドの間に接続することです。

静電型アンプはプッシュプル設計のため、偶数次高調波歪みを低減します。また、位相歪みも最小限に抑えられます。この設計はかなり古く(最初の特許は1930年代に遡ります)、高コスト、低効率、フルレンジ設計では大型、そして壊れやすいという問題から、市場でのシェアはごくわずかです。

AMTツイーター

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エアモーショントランスフォーマー・ツイーターは、プリーツ状の振動板から空気を垂直に押し出すことで機能します。その振動板は、強力な磁場で保持されたアルミニウム製の支柱の周りに、折り畳まれたプリーツ状のフィルム(通常はPETフィルム)で構成されています。過去数十年にわたり、カリフォルニアのESS社は、従来のウーファーに加えて、このツイーターを組み合わせたハイブリッド型スピーカーシリーズを製造しており、発明者であるオスカー・ハイル氏にちなんで「ハイル・トランスデューサー」と呼んでいます。ハイル・トランスデューサーはかなりの出力レベルに対応し、静電型やリボン型よりもかなり頑丈ですが、同様に低質量の可動部品を備えています。

現在使用されている AMT ドライバーのほとんどは、効率と周波数応答の点で 1970 年代のオリジナルの Oskar Heil 設計に似ています。

ホーンツイーター

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ホーン ツイーターは、上記のツイーターのいずれかをフレア構造またはホーン構造に結合したものです。ホーンは、拡散を制御することと、ツイーターの振動板を空気と結合して効率を高めることの 2 つの目的で使用されます。どちらの場合も、ツイーターは通常コンプレッション ドライバーと呼ばれ、より一般的なタイプのツイーター (上記参照) とは全く異なります。ホーンを適切に使用すると、ツイーターの指向性を制御 (つまり低減) することにより、ツイーターの軸外応答が向上します。また、ドライバーの比較的高い音響インピーダンスを空気の低いインピーダンスと結合させることで、ツイーターの効率も向上します。ホーンが大きいほど、低い周波数で動作できるようになります。これは、大きいホーンは低い周波数で空気と結合するためです。ホーンには、ラジアル型定指向性(CD) 型など、さまざまな種類があります。ホーン ツイーターは、単純なドーム ツイーターとは多少異なる音響特性を持つ場合があります。設計の粗悪なホーン、あるいはクロスオーバーが不適切なホーンは、出力精度やアンプへの負荷に問題を抱える傾向があります。設計の粗悪なホーンのイメージを懸念してか、一部のメーカーは「ホーンロード・ツイーター」と呼んでいますが、実際にはこの用語の使用を避けています。婉曲表現として「楕円開口」「セミホーン」「指向性制御型」などがありますが、これらもホーンロードの一種です。

プラズマまたはイオンツイーター

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イオン化されたガスは電荷を帯びており、可変電界によって制御できるため、小さなプラズマ球をツイーターとして用いることが可能です。このようなツイーターはプラズマツイーターまたはイオンツイーターと呼ばれます。他の種類のツイーターではプラズマ生成は不要ですが、他のツイーターよりも構造が複雑になる場合があります。しかし、可動質量が最適に低く(あるいは比較的質量が小さい)、信号入力に対する応答性が非常に高いという利点があります。これらのツイーターの初期モデルは高出力に対応しておらず、非常に高い周波数の再生しかできなかったため、通常はホーン構造の喉部で使用して使用可能な出力レベルを管理していました。欠点の一つは、プラズマアークが副産物として少量のオゾンNOx有毒ガス)を生成する可能性があることです。このため、ドイツ製のマグナット社製「マグナスフィア」スピーカーは1980年代に米国への輸入が禁止されました。現代の設計では、ガス出力を無視できるレベルまで低減するために触媒が使用されています。

かつて、米国における主要メーカーはセントルイス近郊のデュケイン社で、同社はイオノバックを製造していました。英国ではイオノフォンという名称の派生型も販売されていました。エレクトロボイス社は、発明者ジークフリート・クライン氏からデュケイン社とライセンス契約を結び、短期間で同機種を製造していました。これらの初期モデルは扱いが難しく、プラズマ発生用のセルを定期的に交換する必要がありました(デュケインのユニットは精密機械加工された石英セルを使用していました)。そのため、他の設計に比べて高価でした。イオノバックを聴いたことがある人は、適切に設計されたスピーカーシステムでは、高音域が「空気感」があり、非常に精細に聞こえると報告していますが、高出力は不可能です。

1980 年代には、プラズマトロニクススピーカーもプラズマ ツイーターを使用していましたが、このメーカーは長く事業を継続できず、このような複雑なユニットはほとんど販売されませんでした。

参照

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参考文献

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  1. ^ 「ツイーターをスピーカーに接続する方法:ステップバイステップガイド[2023]」AudioFavorite
  2. ^ 「ホーム」 . How Stereo . 2019年1月30日閲覧。
  3. ^ 「シカゴ・トリビューン:シカゴのニュース、スポーツ、天気、エンターテイメント」
  4. ^ Calford, MB (1987年6月). 「オオコウモリ(翼手類:翼脚類)の聴覚」オーストラリア哺乳類協会:97.
  5. ^ 「スーパーツイーター - 米国特許7031488号明細書」2011年6月12日時点のオリジナルよりアーカイブ2012年2月11日閲覧。
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  • ウィクショナリーの「ツイーター」の辞書定義