スピーカードライバーの基本的な動作原理は単純です。交流信号がボイスコイルに流れると変動磁界が発生し、この磁界がモーターシステム（磁気回路）の磁気ギャップ内の磁界と相互作用することで反発力を生み出し、ボイスコイルと振動板を駆動して空気を振動させ、音を発生させます。原理は単純ですが、実際のドライバーの動きには多くの複雑な非線形現象が伴い、これが歪みの原因となります。
これらの歪みの原因と対応する低減策を理解するために、まず従来のスピーカー・ドライバーのモーターシステムの基本構造を見てみましょう。下図は、典型的なウーファーのモーターシステムの断面図です。
BL(x) 非線形性
スピーカードライバーにおける歪みの主な原因は、動作中のボイスコイルの磁気ギャップ内での位置（x）に関連しています。
この構造をFEA（有限要素解析）ソフトウェアでシミュレーションすると、磁束密度の分布図が得られます。
図に示すように、ギャップ内の磁束分布は均一ではありません。これにより、ボイスコイルが動くと力係数BLの値が連続的に変化し、非線形特性BL(x)が形成されます。ボイスコイルと振動板を駆動する力はこのBL(x)に基づいているため、この非線形な力が音の高調波歪みや相互変調歪みを引き起こします。
以下はBL(x)カーブの一例です。
BL(x)をより線形かつ対称にする方法はいくつかあります。一般的なアプローチとしては、Tヨークやポールピース先端の形状を変更したり、アンダーカットされたポールピースを使用してギャップ内の磁束分布をより均一にしたりする方法があります。アンダーカット設計はBL(x)の対称性を改善するのに役立ちますが、多くの場合ギャップ内の磁束密度を低下させ、ドライバーの感度（能率）を下げてしまいます。そのため、マグネットサイズの増大や他の磁気回路構造の変更など、補正的な調整が必要になります。
場合によっては、組立時にボイスコイルの初期位置を調整するだけでBL(x)の対称性が改善されることもあります。一部のドライバーでは、アンダーハング磁気ギャップ設計（長いギャップ内に短いボイスコイル）を採用し、コイルがより線形な磁場範囲で動作するようにしています。しかし、この設計はドライバーの最大許容入力や最大振幅能力を制限する可能性があります。あまり一般的ではありませんが効果的な別のアプローチとして、ラジアル（放射状）着磁マグネットを使用し、ボイスコイルが移動するための均一な放射状磁場を作り出す方法がありますが、この方法はコストが高く、組立も複雑になります。
Kms(x) 非線形性
スピーカードライバーのエッジ（サラウンド）とダンパー（スパイダー／サスペンション）は、その固有の形状により、多くの場合、対称でも線形でもない機械的特性を示します。例えば、典型的なハーフロールエッジでは、外側に動くときには材料が外側に伸びますが、内側に動くときにはまず内側に巻き込まれてから完全に圧縮されます。これにより、可動部（振動系）に加えられる復元力が一貫しなくなります。ダンパーも同様の挙動を示し、これはKms(x)として知られるもう一つの一般的な非線形特性につながります。
以下はKms(x)カーブの一例です。
Kms(x)の非線形性は高調波歪みに寄与するだけでなく、最も厄介な影響としてDCオフセット（直流変位）を引き起こします。これは、ボイスコイルの静止位置が、エッジとダンパーの復元力が弱い方向へシフトしてしまう現象です。これは他の非線形な電磁気的歪みをさらに悪化させます。
Kms(x)を改善するための主な解決策は、エッジとダンパーの形状を調整するか、デュアルミラー（対称型）ダンパーアセンブリを使用して非線形特性を相殺することです。しかし、完全に線形なKms(x)を盲目的に追求することは推奨されません。ダンパーは、ボイスコイルが磁気ギャップから逸脱して機械的破損を引き起こさないように、その可動範囲内でボイスコイルの最大振幅を制御するための十分な復元力を提供する必要があるからです。
Le(x) 非線形性
ボイスコイル自体は、それ自身のインダクタンス値を持つ空芯インダクターとして機能します。空芯インダクターに強磁性コアを挿入するとインダクタンスが増加し、取り除くと減少します。ボイスコイルが動く際にも同様の現象が発生します。これは、周囲にある強磁性体の形状と総体積が常に変化しているためです。これによりインダクタンスが変動し、非線形特性Le(x)として知られるようになります。
以下はLe(x)カーブの一例です。
ほとんどのドライバーにおいて、Leは中高域の周波数特性に直接影響を与えます。Le(x)とBL(x)の非線形な挙動は、これらの周波数帯域で顕著な相互変調歪みを引き起こします。
Le(x)の非線形性を低減する最も効果的な方法は、ポールピース上の銅キャップやアルミ製ショートリングなどのデモジュレーション部品（磁気変調歪み抑制部品）を磁気回路に組み込むことです。これらの部品は、ボイスコイルの磁界の変化に応じて自身の磁界を生成し、インダクタンスの変動を部分的に打ち消して安定化させます。
これらの部品の厚さ、体積、および配置は、その歪み低減効果にとって極めて重要であり、慎重に設計する必要があります。銅キャップは高周波でのインダクタンス変動を低減するのに非常に効果的ですが、磁気ギャップ幅を広げることにもなります。ギャップが広がると磁束密度が低下し、ドライバーの感度が低下するため、設計において適切なトレードオフを行う必要があります。
結論
スピーカードライバーにおける3つの主要な非線形歪み要因には、それぞれ対応する解決策があります。しかし、最適な設計を実現するには、精密なFEAシミュレーションと試作品による検証が不可欠です。
Jazz Hipsterの経験豊富な研究開発チームは、高度なComsolおよびLoudsoftの電気音響シミュレーションツール群を活用して、スピーカー部品のあらゆる詳細を分析します。これらの設計は、さらにKlippel測定システムを用いて検証され、反復的な改善を可能にし、お客様がコスト制約を満たしつつ最高の性能を持つドライバーを開発できるよう支援いたします。
