ATCのテクノロジー

ハイパフォーマンス・スピーカーの設計/開発

スピーカーが楽器であるかのような論法はすでに時代遅れで、必ずしも質の良くないシステムを擁護するだけの空論に過ぎない。ATCはこのように考えます。真のパフォーマンス・スピーカーを造り上げるためには、非常に複雑な技術基準を逐一正しく明快にクリアしていかねばなりません。これらをシンプルに定義するなら、スピーカーのパフォーマンスは、その直線性と非直線性によって物理的に評価することが可能です。リニアなパフォーマンスはインパルス応答特性によって、またノンリニアなパフォーマンスは高調波ひずみ率特性によって、概ね明らかになります。そして、実際の設計において考慮すべき最も重要な要素は、ここに述べるようなリニア特性とノンリニア特性の中に全て含まれるのです。

直線ひずみ

1. 音圧周波数レスポンス

音圧周波数レスポンスは、スピーカーの最も基本的な能力を示す指標として古くから重視されてきた応答特性です。もし周波数と関係なくこの特性が完全にフラットであれば、直線ひずみの原因になることはありえません。しかし全てのスピーカー技術者にとって、それは達成不可能な究極の理想です。さらに、インパルス応答特性の大半が音圧周波数レスポンスの落ち込みと共振ピークに支配されていることも、よく知られた事実です。とはいえ、100 Hz〜10 kHzの帯域で音圧周波数レスポンスの出入りを+/-1.5 dBに収め、優秀なトータルバランスを獲得することは不可能ではありません。ATCは、そのことを実現し得る3ウェイ方式のシステムにおいて、とりわけ重要なキーポイントがウーファーとミッドレンジ間の帯域バランスであり、この帯域では常に1.0 dB以内の偏差に収めなければならないと考えています。平坦な周波数レスポンスを持つドライバーユニットは複雑なイコライゼーションを必要としないため、シンプルなクロスオーバーフィルターの使用を可能にします。

2. 位相レスポンス

位相レスポンスは、スピーカーの出力信号位相と周波数の関係を示す指標で、音圧周波数レスポンスと同様に可能な限りフラットであることが望まれます。位相レスポンスを直線で示せるシステムは「リニアフェーズ」と定義され、直線ひずみを生じることがありません。しかし、現実のスピーカーで完全なリニアフェーズを達成することはやはり不可能です。共振のピークを制御して、出来る限りリニアな位相レスポンスを得ることが目標となります。バターワース・タイプの対称系フィルターを使用したクロスオーバーネットワークは、位相の直線性を維持する上で最も好ましい特性を示し、クロスオーバーポイント付近の指向性や音の繋がりを大幅に改善する効果があります。この場合、ドライバーユニットの取り付け位置等による位相差は、時間に換算して2ミリ秒以内なら検知できません。以上の結果として、そのシステムは位相レスポンスの問題が事実上発生しないのです。 1982年以来、ATCはアクティブタイプのスピーカーシステムにオールパスフィルタと呼ばれるアナログ方式の位相補正回路を組み込んできました。この回路は、マルチウェイのドライバーユニット間で必然的に生じる耳までの距離差を補正するもので、位相レスポンスと群遅延特性の著しい改善に貢献しています。パッシブ・クロスオーバーネットワークを内蔵した同じシステムに比べ、アクティブタイプのATCシステムはより豊かなステレオイメージと明確な音像定位、全帯域に渡って厳密に整合されたクリーンな音質を提供します。将来的には、デジタル信号処理による一層優れた位相レスポンスが実現されるでしょう。

3. タイムドメイン偏差

タイムドメイン偏差は、本来同時に耳へ到達すべき複合信号に時間差を生じることで、スピーカーにインプットされた信号と耳に到達した信号の波形が違ってしまうことを意味します。鋭い共振や長い減衰振動はタイムドメイン偏差の大きな原因になり、リスナーの耳を他のどんなひずみよりもひどく疲れさせます。こうした波形ひずみを防ぐには、ドライバーユニットとクロスオーバーフィルターの設計に周到な配慮が必要です。例えばダイアフラムにおいて、ATCは極めて強く制御されたしなやかな振動系構造を開発し、大入力時にも安定した高内部損失と均質性を維持することに成功しています。ポリコットンやアクリル繊維基材に入念なダンピング処置を施した独自のソフトドーム・ダイアフラムが、その代表例です。

4. 放射角と指向性

音圧周波数特性がスピーカー正面の軸上レベルだけでフラットになっても、あまり大きな意味はありません。私たちの耳はスピーカーからダイレクトに到達する直接音と共に、部屋の壁等に反射してから到達する間接音を聴いています。過剰な間接音は直接音を不明瞭にすることがありますが、直接音に対して適切なバランスの範囲内であれば音質はむしろ豊かに聴こえます。そのためスピーカーのルームインターフェイス能力は非常に重要であり、第一の要素として考慮されなければならないのが正面軸上から外れた方向への放射指向特性ということになります。具体的には水平方向+/-80°に対して10 kHzで-6 dB、垂直方向については少なくとも+/-10°に対して同じく-6 dB以内の音圧レスポンスを確保する必要があります。この前提条件を満たした上で、最も高度なクオリティを持つスピーカーシステムを実現するには、160 mm口径以下のウーファーを使用した小型の2ウェイシステムにするか、または75 mm口径を超えないミッドレンジ・ドライバーを中心とする3ウェイシステムを選ぶことになります。後者の場合、ミッドレンジの低域側クロスオーバーは300 Hz付近に設定します。高域側は3 kHz程度とします。そして、ツイーターのダイアフラム径は34 mmを超えないことが大切です。

非直線ひずみ

5. 高調波ひずみ

スピーカーから生じる非直線ひずみの主な発生源は3つあり、全てドライバーユニットの構造に関連します。第一にボイスコイルと磁気回路。第二に振動系のサスペンションシステム。第三は、磁極を構成する鉄素材の磁気ひずみに伴う過電流です。これらの問題に対してATCは、マグネットギャップ部の材質と形状改善やショートボイスコイル、運動軸方向の伸展性に優れたロングストローク・スパイダー等、多くの独自技術を開発、実用化しています。過電流に対する取り組みの成果は比較的新しいもので、SLMM（Super Liner Magnet Material）と呼ばれる高磁性素材をウーファーおよびミッドレンジ・ドライバーユニットに採用しています。これによる3次高調波ひずみの低減効果は、12 dBから15 dBに及びます。

6. 混変調ひずみ

3次高調波に代表される奇数次の高調波ひずみは耳につきやすい有害なひずみとされますが、それよりさらにシビアなひずみもあります。主信号と調波関係を持たない混変調ひずみです。ATCのアクティブタイプ・スピーカーシステムは、ドライブアンプが帯域分割されているため、パッシブタイプの同一システムよりも遥かに混変調ひずみが少なくなります。その差は実に20 dBに達します。

7. ヒステリシスひずみ

このひずみは、高速で反転する振動系の運動方向により応答時間が異なるために生じます。位相ひずみの一種と考えることもできますが、ATCのスピーカーシステムは、適切に設計されたサスペンションやダイアフラムのおかげで、問題にすべきレベルのヒステリシスひずみを発生することはありません。

8. ダイナミックレンジ

デジタルレコーディングの一般化に伴い、スピーカーに対するダイナミックレンジの要求は厳しさを増しています。この問題は複雑ですが、基本的にはボイスコイルの放熱管理と磁気回路の総磁束によって上限をコントロールできます。もちろんダイアフラムとサスペンション構造の調和も重要です。ATCのハイパフォーマンス・スピーカーシステムは、最も小規模な製品でも、出力100 W以上のアンプを組み合わせることで94 dB/m以上の大音圧を連続して生成し続ける能力があります。

9. モーショナル・インピーダンス

2ウェイあるいは3ウェイのパッシブタイプ・スピーカーシステムは複雑な動的インピーダンスを持ちます。しかしその変化には明確な限界点があり、ボイスコイルの直流抵抗値以下には決して下がりません。もしも音楽信号の変化によってその限界点以下にインピーダンスが落ちるとすれば、それはパッシブ・クロスオーバーネットワークにリンギング共振が生じているためと考えられます。この共振はタイムドメインひずみを発生するばかりでなく、ドライブアンプの負荷としても重く、駆動しにくいスピーカーになります。パッシブ・クロスオーバー方式に潜んでいるこうした問題点は、アクティブ・クロスオーバー方式を採用することで回避できます。

ルームアコースティックとDSP

レコーディングスタジオのコントロールルームは、スピーカーにとって特別に恵まれた好環境といえます。そこでは音響的なルームインターフェイスの問題が綿密に検討され、付帯音の少ないニュートラルな再生環境が整えられています。したがってクリティカルなサウンドクオリティの判定を正確に行うことができるのです。聞き慣れた人の声をさまざまな室内環境で聴けば、最も重要な条件はスピーカーからの直接音であることが容易に理解できるはずです。無響室で判定されたスピーカーの特性が大切な意味を持つのもそのためで、どのような環境下にあっても、直接音は常にルームレスポンスよりも重要です。もちろん部屋の音響効果の影響は小さくありません。しかし、直接音と間接音の主従関係を覆すほどにはならないのです。

直接音

直接音の特性はスピーカーパフォーマンス自体によって示されます。すなわち、よく知られている音圧周波数レスポンスとその帯域幅に生じる減衰特性や共振ピーク/ディップが反映するインパルスレスポンス等です。ATCのハイパフォーマンス・スピーカーは、いかなるピークもディップも見られない平坦な周波数レスポンスを持ち、その帯域は+/-2 dBの偏差で100 Hz〜10 kHzに達します。-6 dBポイントは低域側が60 Hzあるいはそれ以下、高域側では15 kHz以上になっています。

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図1は、直接音とそれに続く初期反射音、後部残響音の到達時間を表した概念図です。初期反射音と後部残響音を合わせて間接音と呼びます。直接音は常に間接音よりも優先し、その音圧レベルは間接音のレベルよりも大きくなります。同様に、周波数レスポンスの位相偏移も重要な要素です。位相は出来得る限り平坦であって、急峻なピークや補正回路を持たないクロスオーバーフィルターによって乱されないことが望まれます。正しい波形再生のためには、正確な周波数レスポンスと共に、正確な位相伝送が不可欠です。著しい位相の変化は波形ひずみを招き、音質やピッチの明瞭度を損ないます。加えて、例えば2〜3ミリ秒の間に続けて発生するパルシブなサウンドは音圧でなく、位相関係によってのみ識別されます。このような信号は、初期反射音よりも先に耳に到達するため、ほとんどルームレスポンスの影響を受けることがありません。スピーカーからの直接音は、バッフル面の反射や回折に伴うリバーブ音も発生してはなりません。スピーカーの指向性=ポーラーレスポンスについては、中〜高域で一様に約+/-80°の放射角を維持する必要があります。適切に設計されたリスニングルームでは、それによって最もナチュラルな間接音が付加されるからです。

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図2は、ドライバーユニットの口径と信号周波数、指向性の関係を示しています。広く均一な指向性を得るためには、どのドライバーユニットもka=2の曲線に示された周波数の高域限界以下で使用しなければなりません。ATCのスピーカーシステムは、全てこの基準を満たすように設計されています。

ルームレスポンス

全てのリスニングルームには間接音が存在します。多くの場合、直接音から5〜80ミリ秒程遅れて初期反射音が到達し、さらに遅れて後部残響音が到達します。これらの総和がルームレスポンスです。中〜高域の間接音は通常滑らかに拡散します。しかし、低域では部屋の影響が支配的になり、ときには定在波によって40 dBを超えるレベル変動を生じることがあります。400Hz以下の周波数で生じやすい定在波を除去する有効な手段は限られたものですが、全帯域に一様な吸音を行い、共振峰のQを0.6以下に抑えることができれば、ルームレスポンスの悪影響は検知外になります。

DSPによるルームレスポンス補正

デジタルシグナルプロセッサー（DSP）によるレスポンス補正には、常に大きな制約が付きまといます。測定用マイクを設置した位置から信号波長の半分以上離れたリスニングエリアで、正確なイコライゼーション効果を得ることは、原理上不可能なのです。そのため、イコライズされるエリアが実際問題としてリスナーに恩恵を与えるほど広くなるのは、十分波長の長い低域に限定されます。最も効果的なソリューションは、結局のところカーテン等のコンベンショナルな音響トリートメントを施し、低域についてはアクティブな吸音体を設置することに尽きます。とはいえアクティブデバイスによる低域補正は心理的側面から見るとあまり望ましくないかもしれませんが。前にも述べましたが、サウンドクオリティの最も厳密な判定は直接音によってもたらされます。スピーカーの無響室特性の補正操作を含むルームレスポンスのイコライゼーションに影響されることは、まずありません。強いて言えば、アクティブ吸音デバイスによる低域の音響補正が役立つ程度です。 DSPを使ったルームレスポンス・イコライゼーションの効果は、はじめから適切に設計されたリスニングルームよりも、また後から音響トリートメントを行った場合よりも、常に劣ります。そしてこれらの複雑な問題に関する最も重要な唯一のファクターは、ここまで述べてきた諸特性を満足させる優れたスピーカーを使用することにほかなりません。ATCのハイパフォーマンス・スピーカーが、その回答です。

スーパーリニアマグネット・テクノロジー

ダイナミック型スピーカーの性能向上に関して、ATC以上の成果を収めてきたメーカーはおそらくないでしょう。その象徴がスーパーリニアマグネット・システムです。ATC独自のスーパーリニアマグネット・システムは、世界のオーディオ技術が長年突破出来なかった厚い壁をブレイクスルーしたと言えるほど画期的な改革です。

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ヒステリシス

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スーパーリニア

現在では、主要なATCスピーカーシステムのミッド/バスウーファーにスーパーリニア・テクノロジーを採用しています。磁気回路のボイスコイルギャップ部にSLMMリングを挿入することで、3次高調波ひずみを低減。その効果は、100 Hz〜3 kHzの帯域で10〜15 dBに及びます。またSLMMには、磁気ギャップ部の過電流を抑制することによってボイスコイルのインピーダンスを上昇させる作用があります。したがって信号電圧が上がりますが、磁界だけに依存する高調波成分のレベルはマグネットの強さが一定である限りそのままです。結果として、相対的なひずみ率がさらに低減されることになります。 SB75-150スーパーリニア・ドライバーのポール磁界（Hz）シミュレーション。Z方向は振動系の運動軸。r方向はセンターポール/トッププレートの半径に沿っています。磁界はアジマス角によって変化しないため、その方向は無視できます。図からはっきり読み取れるのは、SLMMが磁界分布に与える影響の大きさです。この差に基づいて磁気ギャップ内のヒステリシス等ノンリニア要素を数学的に分析し、ボイスコイルへ誘起される高調波ひずみの量を算出することができます。

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聴感上の進展

言うまでもないことですが、ATCが成し遂げた重要な改革の核心は、サウンドクオリティの著しい改善です。ひずみ率の大幅な低減によって、従来は聴き取ることができなかった音楽情報の深層が、ドラマティックな高解像度で鮮明に浮かび上がるようになりました。その場の空気感やかすかな音の動きまでもクリアに再現されると、臨場感は驚くばかりに高まります。ボーカルのニュアンスが飛躍的にデリカシーを増し、ピアノの音色には新しい生命を息吹きます。

学術的な進展

ダイナミック型スピーカーの歴史の中で、ノンリニア磁界が抱える問題点の解明については多大な困難が累積していました。その原因は、問題が単純でないため、半ば経験則に基づく数値を頼りに研究せざるを得なかったことによります。そして、ボイスコイル電流にまつわるひずみの発生メカニズムを正確に特定することは、誰にもできなかったのです。特異なこのひずみの解明に、なぜこれほど長い時間を要したのかは、メカニズムの複雑さと種々な現象の多様性が説明してくれます。

新しい時代

過去数十年において、スーパーリニア・テクノロジーの開発はおそらくスピーカー技術において最も重要な技術展開だったといえるでしょう。事実、ATCスピーカーシステムの多くにスーパーリニア・テクノロジーが組み込まれ、成功を収めています。それらがもたらしたサウンドクオリティの改善は歴然としたものです。スピーカーの電磁メカニズムが内包する複雑な非直線性の問題を、ATCは明確に解析し、技術を前進させました。この研究成果は今後、新しい世代のスピーカー技術を育てる礎となるに違いありません。