電気音響変換器

電気音響変換器とは

電気音響変換器（Electroacoustical transducer）とは、音響的な振動を電気的な量の変化に変換、あるいはその逆に変換する装置のことです。音響トランスデューサとも呼ばれます。

音響振動を電気信号に直接変換するのではなく、音響振動を機械的な振動に変換してから電気的変化に変換（またはその逆）を行うため、実質的には機械電気変換器・電気機械変換器（Electromechanical transducer）とも言えます。

概要

音響振動と電気信号を相互に変換する代表的な装置には、以下のようなものがあります。

音響から電気へ: マイクロフォン
電気から音響へ: スピーカー、ヘッドフォン、イヤフォン、超音波振動子

これらの装置は、空気の振動波である音響振動を、まず機械的な振動に変換します。そして、この機械的な振動を用いて電気信号やインピーダンスの変化に変換、あるいはその逆を行います。

電気音響変換器は、音響振動と電気信号間の変換が原理的に可逆的なものと非可逆的なものに分かれます。可逆型では、変換機構として磁界を利用するものと電界を利用するものがあります。

磁界を利用するものでは、以下の3つに分類されます。

動電型: 磁界を発生するコイル自体が動く
電磁型: 磁界によって磁性を持つ振動板自体が動く
磁歪型: 磁性体の磁化による歪みを利用する

電界を利用するものでは、以下の2つに分類されます。

静電型: 空間の電界によって振動板が動く
圧電型: 固体内部の電界変化を用いる

変換方式	原理	具体例
:-	:---	:---------
可逆型	磁界	動電型、電磁型、磁歪型
	電界	静電型、圧電型
非可逆型		カーボンマイクロフォン、プラズマスピーカー

力係数

電磁型変換器では、電気端子に流れる電流(i)によって生じる駆動力(f)と、振動する速度(v)によって生じる起電力(e)の間には、比例定数Aが存在し、これを力係数と呼びます。同様に、静電型変換器でも、印加する電圧と駆動力、速度と起電力の間の比例定数が力係数として定義されます。

電気音響変換器の機構

電気音響変換器は、可逆/非可逆、磁界/電界/その他、の機構に分類できます。ここでは、よく用いられる機構について説明します。

電磁変換型

動電変換器

直流磁界中に直角方向に導体（コイル）を配置し電流を流すと、磁界と電流の双方に直角な力が生じます（フレミングの左手の法則）。この力で振動板を動かし、空気を振動させることで音声信号に変換します。逆に、コイルを動かすと起電力が発生するので、音声信号が振動板を動かすことで電気信号に変換できます。

右図では、振動板に固定されたコイルが、永久磁石による静磁界の中に配置されています。交流信号をコイルに加えると、フレミングの左手の法則によりコイルが上下方向に動き、振動板も連動して空気を振動させ、音声信号が発生します。この機構は可逆的です。

電流と力、速度と起電力の間には比例関係があり、電流と磁界の直接作用を用いた理想的な変換機構といえます。歪みが少なく大振幅を扱えますが、強力な永久磁石が必要で大型、高価になりやすいです。高音質用途に向きます。

電磁変換器

磁石で作られた直流磁界中に、磁性体を用いた振動板を配置します。さらに、コイルによる交流磁界を重ねると、振動板に働く吸引力が変化し、振動板が動きます。逆に、振動板が動くと磁界が変化し、コイルに起電力が生じます。

構造上、振動板は常に磁石の吸引力が働くため、振動板が吸着しないように弾性体で支える必要があります。音声-電気間の変換は非線形な歪みを持ちますが、振動部分に電流を流す必要がなく構造は簡単です。コイルの巻数を増やすことで磁石の小型化が可能な点が、動電変換器よりも有利です。

丈夫で安価であるため、電話の受話器に広く使われていました。

磁歪変換器

磁歪とは、磁性体を磁化させると変形する力（ジュール効果）と、磁性体を変形させると透磁率が変化する現象（ビラリ効果）を利用したものです。棒状または環状の磁性材料にコイルを巻き、直流電流を流して磁化させ、さらに交流電流を流すと、ジュール効果によって歪みが生じます。磁化の向きに関わらず変形の方向は同じです。

ビラリ効果を利用するには大きな変形力が必要なため、共振させて用います。主に超音波用途に使われます。

静電変換型

静電変換器

対向する導電性電極板間に電圧を加えると、互いに引き合う現象を利用します。直流電圧を印加しておき、交流電圧を加えることで、吸引力が変化します。力の変化は、交流電圧の変化にほぼ比例します。

構造上、振動側電極にかかる吸引力に抗しつつ弾性的に保持する必要があり、大振幅を得にくいです。また、インピーダンスは容量性リアクタンスであり、高周波になるにつれて低くなるという欠点があります。しかし、構造が簡単で小振幅で済むマイクロフォンやイヤフォンなどに使用されます。

圧電変換器

水晶やロッシェル塩などの圧電性物質の結晶に外力を加えて歪ませると電荷が現れる圧電気直接効果、および、電圧を加えると歪みが生じる圧電気逆効果を利用します。電荷量と歪み量はほぼ比例します。

圧電効果には、歪みの方向と電荷の現れる方向が同じ圧電気縦効果と、直角になる圧電気横効果があります。バイモルフ変換器は2枚の圧電体を貼り合わせたもので、小さな駆動電圧で大きな振幅が得られます。

電気歪み変換器

チタン酸バリウム系磁器などの強誘電体では、外部電界に対してその2乗に比例する歪みが発生します。これを電気歪み効果（電歪現象）といい、この現象を用いた機構を電気歪み変換器といいます。

非可逆型変換器

非可逆型変換器は、音響（機械）的振動を電気信号に変換する、またはその逆のみが可能です。可逆型変換器と異なり、双方向の変換はできません。現在ではほとんど使用されていませんが、エジソンが発明したカーボンマイクロフォンや、プラズマスピーカーがこれにあたります。

参考文献

西巻正郎『電気音響振動学』 9巻（改版）、コロナ社、1995年
古井貞煕 著、青島伸治、小畑秀文、南谷崇 編『音響・音声工学』 2巻、近代科学社、1998年
中村健太郎『電気・電子・通信のための音響・振動 基礎から超音波応用まで』 EKR-21、数理工学社、2020年
大賀寿郎、鎌倉友男、斎藤繁実、武田一哉『音響エレクトロニクス[基礎と応用]』培風館、2005年
伊藤毅『音響工学』電気書院、1977年

関連項目

ソナー
超音波モータ

もう一度検索