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「スピーカーの歴史」オーディオ解説書その7

 

スピーカーは電気信号を物理振動に変換し、音楽や音声などの音を生み出す装置です。語尾を伸ばさずにスピーカ、あるいはラウドスピーカーとも呼ばれています。スピーカーユニットと区別するため、エンクロージャーにまとめられたものをスピーカーシステムと呼ぶこともありますが、いずれにせよ、今回はそんなオーディオの花形「スピーカー」について、その歴史を軸に解説します。

目次

  1. スピーカーと電話
    1-1.アレクサンダー・グラハム・ベル
    1-2.電話誕生
    1-3.世界初のスピーカーは?
    1-4.日本発のスピーカーは?
  2. スピーカーとラジオ
    2-1.マグネチックスピーカー
    2-2.ダイナミックスピーカー
    2-3.日本のスピーカ作りの最初期
  3. ダイナミックスピーカーの進歩
    3-1.ダイナミック型スピーカーユニット
    3-2.ダイナミック型スピーカーの振動板
  4. まとめ

 

1.スピーカーと電話

音響機器「スピーカー」の誕生には、電話がとても大きく関わっています。というより、スピーカーは電話が基となって誕生した機材です。そこでこの章では、まずは電話について振り返ります。

電話を発明した「アレクサンダー・グラハム・ベル」はどんな人だったのか。
ベルが発明した電話は、どのように世界初のスピーカーと関わるのか。

早速のぞいてみましょう。

1-1.アレクサンダー・グラハム・ベル

アレクサンダー・グラハム・ベル(Alexander Graham Bell)は、1847年にスコットランドで生まれました。祖父、父、兄弟は弁論術やスピーチに関連する仕事をしていましたが、母と妻は聾でした。そして、そうした家庭環境で育ったこともあり、ベルは聴覚とスピーチに関する研究を基に聴覚機器の実験を行い、1876年、ついに世界初となる電話を発明し、その特許を取得します。

ちなみに、ベルは電話以外にも様々な発明をしており、光無線通信、水中翼船、航空工学などの分野でも重要な業績を残しています。そして、1888年にはナショナルジオグラフィック協会創設に関わり、科学振興および聾者教育に尽力し(あのヘレン・ケラーに家庭教師となる女性「アニー・サバリン」を紹介したのはベルです)、人類史上最も影響を及ぼした人物の1人とされることもあります。

1-2.電話誕生

電話の基となる機器を発明したのは、米国シカゴで工場を営んでいたイライシャ・グレイです。1874年、グレイは電池を接続した電磁石を手でなぞると音が発生する、という実験を成功させています。そして、それを聞きつけたベルはグレイの実験をヒントに独自の技術を追加。1875年、acoustic telegraph を開発します。

この開発は偶然の産物でした。ベルの助手「トーマス・ワトソン」が偶然にも金属リードの1本を引き抜いてしまい、受信側にいたベルがその金属リードの倍音を聞いたことがきっかけとなったのです。倍音は音声の伝送に必要です。そして、ベルはこのことから複数のリードは不要であり、1つのリードでよいと結論づけ、明瞭な音声こそ伝えられませんでしたが、何らかの音だけは伝送できる電話の前身の開発に成功します。

が、同時期にグレイも同様の実験を行っており、水を媒体として音声を電流に変換する方法を開発していました。そして1876年2月14日、ベルもグレイも、それぞれが自分たちの発明品を特許局に申請します。ベルは「電信の改良」(Improvment in Telegraphy) を、グレイは 水を媒体とする設計の電話についてでした。一説によれば、グレイはベルに2時間遅れての出願とも言われていますが、いずれにせよベルの後援者がグレイの動きを察知し、いち早く特許を出願させたことだけは事実です。

1876年3月3日、米国特許商標庁によりベルの特許出願は認可されます。そして、3月7日に公告されると、3月10日にベルは実際にその電話機の実験に成功します。当時の電話機は送信機と受信機の電磁石の前に振動板を設置して、振動板の信号を電磁石の電気信号に変換。そして、この電気信号を受信側で音響信号に変換する、というものでした。

なお、電話口から最初に響いた言葉は「ワトソン君、用事がある。ちょっと来てくれたまえ」 ("Mr. Watson! Come here!I want to see you!")だったと言われています。ベルが実験中に希硫酸をこぼしてしまい、隣の部屋にいたワトソンが、その言葉を受信機にてはっきり聞いたというのが最初の言葉だそうです。

さて、このように世紀の大発明を遂げたベルでしたが、彼はその価値をいまいち認識していませんでした。彼は当初、あろうことか電話の特許をウェスタン・ユニオン社(当時最大の電信会社)にたった10万ドルで譲ることを考え、交渉に臨んだのです。が、(運よく?)当時はまだ、この電話は単なる玩具として認識されいました。そのため、ウェスタン・ユニオン社はその提案を断わります。

しかし同じ年の1876年、フィラデルフィアで開催された万国博覧会にてベルの電話機が世界中に紹介されると、ヴィクトリア女王はこの電話機を絶賛。これによりベルの電話機は一気に名が広まり、ベルは翌年にはベル電話会社を設立、電話の普及に努めます。

ところで同じ頃、発明王「トーマス・エジソン」も電話に関する発明を手がけていました。そして、ベルやグレイより1か月も早く電話の特許を出願していたのですが、書類に不備があったため受理されず、電話での発明競争には破れます。しかし、電話の特許が認められなかったエジソンですが、1877年に「カーボンマイク」を発明し特許を出願。カーボンマイクは、ベルが発明した電話機に炭素粒子を加えたという改良品でしたが、これによりベルの電話機よりも格段に音質が向上します。

さらに、ベルやエジソンらより15年も昔に電話の基礎を発明していたのが、ドイツの天才物理学者「フィリップ・ライス」です。彼は1860年にスピーカーとマイク、電線を用いて通話が可能となる電話機を発明。電線の両端に電磁石を設置し、人工鼓膜を振動させて相互の声を伝えるという仕組みを考案します。そして、この電話機をギリシャ語で「遠い声」を意味する「Telephone」(テレフォン)と名付けます。

いずれにせよ、電話は電気から音声を作り出す装置として、19世紀に発明されました。

1-3.世界初のスピーカーは?

さて、冒頭で述べた通り、スピーカーは電気信号を音に変換する機材、すなわち電気から音声を作り出す装置です。一方、電話は世界で最初の「電気から音を作り出す装置」です。そうです。つまり世界初のスピーカーは、1876年に開発されたベルの電話機です。

構造としては、磁石とコイル、鉄の振動板からなる装置です。音声が鉄製の振動板を震わせると、磁石から出る磁束が変化し、電磁誘導によりコイルに電流が流れます。この電流が受話器側のコイルに送られると、磁石に吸引されている振動板を震わせ、音声が再生されます。

このように、世界で最初のスピーカー「ベルの電話機」は、原理的にも構造的にも非常に簡略的な装置でしたが、オーディの歴史には非常に大きな最初の一歩でした。

1-4.日本初のスピーカーは?

1876年3月10日に行われたベルによる電話の実験の成功直後に、東京音楽学校の後の校長・伊沢修二と留学生仲間で後の司法大臣・金子堅太郎が電話を使って会話をしていることから、世界で二番目に電話を通して通話された言語は「日本語」といわれています。

一方、1877 年には米国から 2 台のベルの電話機が日本へ輸出され、1878 年には日本は電話の国産化に成功しています。作ったのは、工部省の製機所のエンジニア達でした。つまり日本初のスピーカーは、1878年に工部省の製機所のエンジニア達が生産したこととなります。

2.スピーカーとラジオ

1920年代にラジオ放送が開始されると、同時に複数人が視聴可能な音響変換装置としての「スピーカー」が開発されました。当初のスピーカーは「マグネチックスピーカー」と呼ばれるタイプで、ベルの電話機と基本的な仕組みは同じでした。ただ、可動鉄片の振動を、コーン紙(ラッパ型の紙製振動板)に伝達させる部分等に新たな工夫が盛り込まれていました。

2-1.マグネチックスピーカー

マグネチックスピーカーは、永久磁石を利用して音声電流を音に変えるスピーカーの総称です。馬蹄形の永久磁石の間に組み込まれたヨークとその中にボイスコイルがあって、さらにその中にセットされたアーマチュア(電機子)が貫いている構造となっています。磁石(マグネット)と可動鉄片の間の磁気吸引力を音声電流により変化させ、振動する鉄片の動きをコーン紙に伝えます。

しかし、マグネチックスピーカーは吸引力が非線形なため歪みが出やすく、鉄片が磁石に吸着してしまわないよう、どうしても振動系を固く支持しなければなりません。そのため、波数帯域が狭くなるという原理上の欠点がありました。また、このマグネチックスピーカーの方式は初期のラジオに多く使用されていましたが、ひずみが多いことからダイナミックスピーカーに置き換えられる経緯をたどります。

とはいえ、マグネチックスピーカーの構造は、基本的には現代のスピーカーと同じです。

今のスピーカーは、音声信号による磁気力をヨークとポールピースの間にあるボイスコイルが音声信号に従って動く構造です。しかし固体連結はされておらず、ボイスコイルに直結したコーン紙は柔らかいダンパーによって支持されています。そのため大きな振幅にも適応。音域を広くとることを可能にしており、それゆえ音質が良いと言われています。

2-2.ダイナミックスピーカー

「広い空間に音を放射する」というスピーカー本来の研究が始まったのは、真空管の発明による増幅作用が完成された後です。およそ1914 年頃と言われています。当初は電話機の受話器と蓄音機のホーン(ラッパのような形状をした部分)を組み合わせただけものでした。

しかし、スピーカー誕生後の初期においては、開発競争もあってか多くの発明考案がなされます。特にウェスタン・エレクトリック社のベル研究所やマグナボックス社の研究は、スピーカー技術の向上に大きく貢献しました。

現在広く使われているスピーカーは「ダイナミック・コーンスピーカー」が主で、1919 年頃にサイクスが考案し、1925 年にゼネラル・エレクトリック社で「チェスターW.ライス」と「エドワードW.ケロッグ」の設計により製作されたものが原形と言われています。円すい形の振動板がフレミングの左手の法則に従って動くスピーカーです。(ただ、これ以前の1877 年、カットリスとジーメンスが各々独立にダイナミック型の特許を取得しています。しかし、ライスとケロッグは、ジーメンスの特許は後に知ったことであると語っていますが)

ダイナミックスピーカーは、空気を振動させる振動板、電流の流れるコイル、そして電流を力に変換するために必要な鉄と永久磁石により主に構成されています。電流は鉄の棒と振動板の周りに巻かれたコイルの中を流れます。そして、電流が流れることによって周囲の鉄と永久磁石が磁気の通り道となり、磁束が発生。電流と磁束の両方と垂直な方向に力が生まれ(フレミングの左手の法則)、それが振動板を上下に震わせて音を出します。流れる電流や磁束の密度が大きくなればなるほど、大きな力で振動板を揺らすことが可能になります。そのため、大音量の出力も可能になります。

近年の一般的なオーディオ機器に組み込まれているスピーカーユニットは、ほとんどがこの方式を採用しています。1925年にライスとケロッグによって発明された非常に古い方式ですが、今なおその基本構造が変わっていないのは、この方式がシンプルで非常に優れているからです。

2-3.日本のスピーカ作りの最初期

2-3-1.日本製初のダイナミックスピーカー

1920 年、アメリカで世界初のラジオ放送が始まると、日本でも1925 年にラジオ放送が始まりました。この頃、日本にもラジオ受信機用スピーカーが輸入されましたが、開発にお金のかかる音響研究は後回しにされ、商社により町工場の優秀な職人にイミテーションを作らせることが先行します。そして、複数のメーカーでダイナミック形コーンスピーカーの製作が始められましたが、どれも外国からの輸入品をただ模倣しただけにすぎませんでした。

現在把握できている日本製の最も古いスピーカーは、1931 年に発売された大阪の村上商会の「ワルツ55形」です。マグナボックスの模倣品と言われていますが、ワルツ55形はコーン紙を保護するため、スピーカー前面に野球のキャッチャー・マスクのような鉄板のプロテクターがついていました。

2-3-2.マグナボックス

マグナボックス(Magnavox)は、ラテン語で「大きな声」を意味するアメリカの電気機器メーカーです。創設者はEdwind Pridham と Peter L. Jensenの二人 。1915年にボイスコイルを使ったスピーカーを発明し、その発明品にを"Magnavox" と命名したことがきっかけで、1917年、この発明品を販売するために同名の会社を設立しました。

マグナボックスはラジオ、テレビ、レコードプレーヤーなどを製造する一方、後に民生および軍需の大企業に成長します。ただ、1974年にフィリップスに民生機器部門が買収されると、Magnavox Electronic Systems として存続していた軍需部門も Hughes Electronics に買収され、さらに後にHughes Electronics が軍需部門をレイセオンに売却し、同時にかつてのマグナボックスもそちらに移管されます。

マグナボックスの名称は、フィリップスの低価格電気機器マーケット向けの北米ブランド名として使用されていましたが、現在はフィリップスとのライセンスに基づき、船井電機の商品群をリバッジして使用されています。

3.ダイナミックスピーカーの進歩

1925年には、今日のスピーカーの主流「ダイナミックスピーカー」がこの世に誕生します。磁石の磁力で鉄板を振動させるのではなく、コイルにより発生する磁束と磁石との相互作用により、コイルに接合したコーン紙を振動させる「ボイスコイル」方式、別名「ムービングコイル」方式です。

このシステムには、当初は電磁石が使用されていました。しかし、1930年代以降には強力な永久磁石などの金属磁石が開発・発見され、スピーカーに大きな影響を与えます。

詳しく見てみましょう。

3-1.ダイナミック型スピーカーユニット

ダイナミック型のスピーカーユニットには、ドーナツ型の永久磁石が使用されています。このドーナツの穴の部分(円筒形の空間。磁界の中)に、それより直径が僅かに小さい筒「ボイスコイル」が挿入されています。

ボイスコイルはコイルの一種です。紙やプラスチックの筒に導線が巻きつけられていて、この導線に音声信号が流れると電磁石になり、ボイスコイルは波形に合わせて前後方向に振動します。

ボイスコイルには振動板が直結しています。そのため、この振動板が振動すると音響エネルギー(音)に変換され、音声信号と等しい波形の音が空気中に放射されます。これはまさにリニアモーターの原理そのものです。したがって、ダイナミック型スピーカーはリニアモーターの一種であると言われています。

磁気回路に使用される永久磁石には、非常に高い磁束密度が要求されます。以前はアルニコ磁石がハイエンド品を中心に使用されていましたが、ニッケル価格の高騰により現在ではほとんど見られなくなりました。また、アルニコ磁石には磁気抵抗が少ないというメリットがありますが、減磁しやすかったり特殊な磁気回路が必要というデメリットもあって、現在はコストパフォーマンスに優れたフェライト磁石がよく使われます。(小型スピーカーには、磁力の強いサマリウムコバルト磁石やネオジム磁石などがよく使われます)

ダイナミック型スピーカーユニットは振動系が軽い傾向にあります。そのため、トランジェント(過渡特性)に優れ、繊細かつ微妙な音が得られるという特徴があり、トゥイーターに用いられる傾向があります。

3-2.ダイナミック型スピーカーの振動板

3-2-1.構造

原音に忠実で歪みがない。点音源である。全方向に同一の音圧、同一の音質で音を放射する。

これらは理想的なスピーカーに求められる性能の一部です。そして、これらを実現すべく、ダイナミック型スピーカーの振動板の形状や大きさ、取り付け方には様々な工夫が施されています。

例えば振動板の形状です。
低音用にはコーン型、高音用にはコーン型やドーム型が主流です。1980年代前半、一時的に平面型が流行しましたが、現在ではほぼ見かけなくなりました。今は正面から見て真円形のものがほとんどです。(ただし、テレビなどへの内蔵用としては、楕円形や多角形のものも使用されます)

3-2-2.材質

ダイナミック型スピーカーの振動板には、硬く(=高ヤング率)、内部損失が大きく、かつ軽量な素材が使用されます。振動板に求められることが、分割振動や共鳴による固有振動が少ないこと、かつ変換効率が良いことだからです。また、経年劣化が少ないことも重要です。

しかし、これらの要素の全てを満たす素材はなかなかありません。そのため、一般的にはユニットの担当する音域に合わせて素材を変えています。

a)紙

昔から今に至るまで、最も多く利用されている素材です。適度に内部損失があり、比較的丈夫で軽量。そのため、廉価品から高級品にまで幅広く使用されています。全音域に対し使用可能ですが、高音用にはあまり使われない傾向にあります。

b)高分子

ポリエステル、アラミド、ポリプロピレン、炭素繊維樹脂など。繊維状にして編んだり、ハニカム構造(正六角形または正六角柱を隙間なく並べた構造。語源は”ミツバチの蜂の巣”)にして利用することが多い素材です。主に低音から中音用ユニットに使用されます。

c)金属

アルミニウム、チタン、ホウ素(ボロン)、ベリリウム、マグネシウムなど。薄く軽量化が容易で、ヤング率が高い反面、内部損失が小さいため固有振動が発生しやすい傾向にあります。そのため、主に高音用ユニットに使用される素材です。高音用は振動板が小さいため、固有振動を可聴周波数外に追い出すことが可能だからです。

4.まとめ

電話は電流で音声を伝達する方法を採用していたため、その内部には電流を空気の振動に変換する仕組みがあります。したがって、スピーカの原点となるのは1876 年に発明されたアレクサンダー・グラハム・ベルの電話と言われています。そして、このベルの電話から発展し、まずは1800年代後半に欧米でマグネチックスピーカが誕生し、それがダイナミック方式へと進化します。

一方、ラジオ放送もスピーカーの進化に多大な影響を与えました。ラジオ放送は1920年にアメリカで世界で最初に開始されると、日本でも1925年に始まりました。そして、ラジオにはスピーカーが欠かせないこともあって、最初は欧米のスピーカーを模倣するだけでしたが、徐々に日本でも研究・開発が進められ、今に至ります。

当時はマグネチックスピーカーが主流でしたが、今の主流はダイナミック方式です。ただし、それは1925年に登場した、決して新しくないシステムです。それほどまで、ライスとケロッグが発明したスピーカーシステム「ダイナミック方式」は、シンプルながらに優れていたのです。

世界初のスピーカーは電話であり、その進化はラジオにあった。
しかも、今なお使われているスピーカーの技術の根幹は、1925年に誕生したものだった。

新しいものを追いがちな私たちですが、今一度、オーディオ好きの我々は率先して、もっと古いものに注目しても良いのかもしれません。

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