交差周波数とは?クロスオーバーは何をしますか?役立つガイド

クロスオーバーは、自宅、車、さらにはボートでも、優れたサウンドのオーディオ システムにとって重要です。しかし、正確には クロスオーバー周波数?

この詳細な投稿では、それらが何であるか、どのように機能するかなど、誰でも理解できる方法で説明します。始めましょう!

インフォグラフィック – オーディオ クロスオーバーの事実

クロスオーバー周波数とは?クロスオーバーは何をしますか?

クロスオーバー周波数とクロスオーバーの基本のまとめ

• クロスオーバーは、1 つ以上の出力に送信される着信音楽信号を変更または分離するために使用される電気回路または電子回路です。 それらは、適切な周波数応答で適切な範囲のサウンドをスピーカーに送信する方法を提供します。 (たとえば、2 ウェイ スピーカー システムのツイーターとウーファー)
• クロスオーバー フィルターは、パッシブ フィルターまたは電子フィルターの原理を使用して機能し、オーディオ信号内のさまざまな音域をブロックします。
• クロスオーバー周波数 クロスオーバー フィルターのカットオフ ポイントとして機能するサウンド周波数です。これは、信号が 3 デシベル (-3dB として表される) 減少し、そのポイントからさらに離れた周波数ポイントです。
• クロスオーバーの出力は、ハイパス (低域がブロックされる) やローパス (高域がブロックされる) など、通過が許可される信号範囲です
• クロスオーバーには、アクティブ (電子) とパッシブ (スピーカー) の 2 種類があります。どちらのタイプも、ホーム、カー ステレオ、プロ用オーディオでよく見られます。

これらは、優れたサウンド忠実度の重要な部分です。 実際、1 種類以上のクロスオーバーを使用していない良好なサウンドのスピーカー システムを見つけることはほとんどありません。

家庭用またはカーオーディオシステムで使用するクロスオーバーには、次の 2 種類があります。

• アクティブ クロスオーバー (エレクトロニック)
• パッシブ クロスオーバー (スピーカー クロスオーバー)

クロスオーバー周波数の説明

ツイーターは低周波音を出すことができないため、歪んだり、重低音によって損傷することさえあります。これを防ぐために、不要な音をブロックできます。 (表示されているのは、3,500 Hz [3.5 キロヘルツ] で使用される一般的な周波数です)。

クロスオーバー周波数は、その後の音が大幅に減少し、効果的にブロックされる音の周波数ポイントです

コーナー周波数と呼ばれることもあります またはカットオフ周波数 、オーディオ設計の数学計算の出発点として使用されます。

音の「周波数」とは何ですか?

音楽信号の周波数は、1 秒間に代替波が完了する回数で表されます。

「周波数」について話すとき、人間の耳が聞こえる音の範囲を指しています。慣例により、これを表すために 20 から 20,000 ヘルツ (20 から 20 キロヘルツ、または 20,000 ヘルツ) の範囲が使用されます。

実際には、人の聴力にもよりますが、人間の耳は 30 Hz 付近と 16 キロヘルツ付近までしか聞こえません。

ヘルツは、1 秒あたりのサイクル数で周波数の単位を表すために使用されます。 これは、音波 (および電子オーディオ信号も) が 1 秒間に何度も発生する交互の波でできているためです。

「Hz」、「KiloHertz」、「kHz」は短い書き方です (キロ =1000)。

クロスオーバーが役立つ最も一般的な音域の一部を以下に示します:

• ベース: 20～100Hz程度
• ミッドレンジ: (ボーカル、楽器など) ~100Hz から約 3Khz
• 高音: (高周波音) 約 3KHz から 20Khz

クロスオーバーはどのように機能しますか?スピーカー クロスオーバーとは?

1.アクティブクロスオーバー（電子クロスオーバー）の基本

個別の電子アクティブ クロスオーバーの典型的な例。 1 組の出力ジャックは、アンプにハイパス フィルター出力を提供し、ツイーターまたはメイン スピーカー ペアを駆動します。 2 番目のペアは、多くの場合、サブウーファーのクロスオーバー周波数出力です。

車載アンプの内部クロスオーバー セクションは、可変抵抗器、オペアンプ チップ、コンデンサ、固定値抵抗器などの基本的な電子部品で構成されています。これらは本質的にアンプに組み込まれた電子クロスオーバーであり、個別に使用する必要がありません。

電子クロスオーバーは、スピーカークロスオーバーとは異なり、機能するために電源が必要なため、「アクティブ」クロスオーバーと呼ばれることもあります。パッシブ クロスオーバーはアンプの高出力端子に直接接続しますが、電子クロスオーバーは低電圧信号でのみ機能します。

たとえば、ライン レベルの RCA ジャック、またはカー ステレオ、カー アンプ、またはホーム AV レシーバーに接続されます。

エレクトロニック クロスオーバーのしくみ

左:典型的な オペアンプ (オペアンプ) 集積回路 (IC)、Texas Instruments TL072。右:オペアンプを使用して高周波音を除去するローパス クロスオーバー回路の例。

電子的なクロスオーバーは非常に複雑に聞こえるかもしれませんが (少なくともいくつかの点ではそうです)、実際にはかなり基本的な原則に基づいています。

それらは、非常に一般的な電子部品であるオペアンプ（「オペアンプ」）に基づくさまざまな電子フィルター回路を使用して動作します。オペアンプは、さまざまな方法で入力信号を増幅または変更するのに役立つ小型の多目的アンプです。

それらは、抵抗器とコンデンサーと共に、音楽信号を制御するために使用できます。

典型的な電子クロスオーバーの回路図。この例では、Alpine カー アンプの内蔵クロスオーバー回路の左ステレオ チャンネルが示されています。

スイッチでモードを変更できるように設計できます。多くの場合、カットオフ周波数を変更できるように、調整可能な抵抗ダイヤルを使用します。

入力信号が適用されると、タイプに応じて次の出力が得られます:

• ハイパス フィルター:ツイーターまたはメイン スピーカーからのサブウーファーの低音域をブロックします。これにより、小さなスピーカーは重低音をうまく処理できないため、歪みのない音量を上げることができます。
• ローパス フィルター:ウーファーやサブウーファーがうまく再生できないボーカルやその他の高周波音をブロックします。家庭用受信機のサブウーファー出力の LFE チャンネルとも呼ばれます。
• バンドパス フィルター:バンドパス フィルターも他のフィルターの組み合わせです。出力をミッドレンジ周波数のみに制限します (ミッドレンジ ドライバー セットで使用する場合)。

2.スピーカー (パッシブ) クロスオーバー

上: カー コンポーネント スピーカー用の 2 ウェイ コンポーネント クロスオーバー。 下: ブックシェルフ スピーカー セットに見られるようなホーム ステレオ スピーカー クロスオーバー。どちらもコンデンサとインダクタを使用して、ツイーター、ミッドレンジ スピーカー、またはウーファーに送信されるサウンドをフィルタリングおよび制御します。

スピーカークロスオーバーは、外部電源接続を必要としないため、「パッシブ」クロスオーバーと呼ばれることがあります。それらは、コンデンサとインダクタなどの受動部品を使用して動作します。

スピーカークロスオーバーは、インダクターとコンデンサーを使用してスピーカー信号をフィルタリングし、1 つ以上の出力に分割する電気回路です。出力は、使用するスピーカーの周波数応答に依存します。

電子クロスオーバーとは異なり、通常、それらはアンプの出力に接続され、スピーカー チャンネルごとに 1 つずつ、スピーカー ドライバー セットにスピーカー ワイヤで接続されます。

2 次の 2 ウェイ スピーカー クロスオーバーがここに示されています。インダクタは「L」記号を使用し、コンデンサは「C」記号を使用します。 「2 次」タイプには、1 次設計よりも効果的に音を除去するためのパーツの第 2 段階があります。

コンデンサーとインダクターには、適用される信号の周波数に応じて、いくつかの興味深い特性があります。

• コンデンサは、高周波信号よりも低周波信号に対してより多くの「抵抗」(インピーダンスと呼ばれる) を持っています。周波数が低いほど、通過できる信号が少なくなります。
• インダクタは、低周波信号よりも高周波信号に対する抵抗が大きいワイヤーのコイルです。したがって、より高い音の周波数を除外します。

コンデンサまたはインダクタにクロスオーバー周波数を超える信号が適用されると、抵抗が増加し、コンデンサまたはインダクタで失われるため、スピーカーの電圧出力が低下します。

これは、音の周波数がクロスオーバーポイントを過ぎれば離れるほど、スピーカーがブロックしたいスピーカー信号を受信する量が少なくなることを意味します。パーツの値は、使用するスピーカーのインピーダンス (オーム) に応じて選択されます。これは、スピーカーの動作に影響を与えるためです。

注: スピーカー クロスオーバーは、設計されたスピーカー インピーダンスでのみ使用できます。そうしないと、同じように聞こえません。

たとえば、8 Ω のホーム スピーカー クロスオーバーと 4 Ω のカー スピーカーを使用すると、正しく動作しません。これは、部品の値が 1 つのインピーダンスに対してのみ選択されたためです。 それを変更すると、クロスオーバー周波数が劇的に変化します!

スピーカー クロスオーバーはさまざまな方法で設計されていますが、基本的な設計構造はすべて同じで、細部が異なるだけです。

また、「1次」、-6dB/オクターブ、「2次」、-12dB/オクターブなどの名前でラベル付けされることもよくあります。 2次、3次などの設計は同じ原理を使用しますが、より多くの段階または「次数」が追加され、ブロックサウンドでさらに効果的になります.

デシベルとは何ですか? なぜ音声に使用するのですか?

クロスオーバー (およびその他の多くのオーディオ エレクトロニクスと機器) は、デシベルを使用して測定されます。デシベル (「dB」) は、直線で発生する線形数とは異なり、10 の累乗として発生する数を扱う便利な数学的方法です。示されているのは、クロスオーバー出力の減衰 (dB) を計算する例です。

現実の世界では、直線 (「線形」) ではなく曲線 (「非線形」、または対数) で増加または減少するものを扱う多くの測定値があります。

ここで重い数学で退屈させるつもりはありませんが、オーディオの世界では、音楽の電気信号を測定する数学的な方法としてデシベルを使用しています。これは、多くの場合、直線ではなく曲線で発生するためです.

オーディオの世界の多くは、10 の累乗 (対数。代数のクラスで覚えているかもしれません) で機能します。したがって、それらを処理する方法が必要です。そこで dB 表現が役に立ちます。

そして、デシベルで機能するのはクロスオーバーだけではなく、自分の耳でさえ対数です.これは、私たちの耳が音量を知覚する方法が対数スケールで機能することを意味します。

交差勾配とは?

最も一般的なタイプの傾き、またはカットオフの急勾配を示す図。クロスオーバーには「順序」があります。つまり、不要な音の周波数を除外する能力を高める 2 番目、3 番目、またはそれ以上の段階です。

スロープは、クロスオーバーのフィルタリング能力の急峻さです。言い換えれば、クロスオーバー周波数ポイントを過ぎた後の効果です。

スロープは、クロスオーバー周波数と同様に、オクターブあたりのデシベル (dB) で分類されます。 負の記号は、信号の減衰または減少を表すために使用されます。

オーディオの世界では、通常、オクターブを使用して 2 点間の音の周波数範囲を測定します。オクターブは、周波数数の 2 倍または半分です。 (100Hz、200Hz、400Hzなど)

オクターブあたり -6dB のカットオフを持つクロスオーバーについて言及する場合、前の周波数が 2 倍になるたびに出力がさらに 6dB 減少し続けることを意味します。

例:-6dB @ 1KHz、-12dB @ 2KHz、-18dB @ 4KHz、-24dB @ 8KHz、-32dB @ 16KHz、最大 20KHz。

最も一般的で最適なクロスオーバー スロープは?

クロスオーバーは通常、複雑さ、価格、および音質の間の適切な妥協点になるように設計されています。 「順位が高ければ高いほど良い」と思われるかもしれませんが、常に 2 次または 3 次の設計を超えると、事態はさらに複雑になります。

一般的に言えば、-12dB のクロスオーバー スロープが最適な選択であり、ほとんどのスピーカー システムに適しています。通常、サブウーファーは 12dB または 18dB のスロープで非常に良い音を出します。

その理由の 1 つは、比較的手頃な価格でシンプルなデザインでありながら、優れたカットオフ能力を備えていることです。これは、シングル スピーカーまたは 2 ウェイ スピーカーの両方でうまく機能します。

一般に、最も一般的に使用されるスロープは次のとおりです。

• -6dB
• -12dB
• -18dB

電子および 2 ウェイ スピーカーのクロスオーバーは通常 -12dB です。

双方向スピーカーとは?

車や家庭のスピーカー システムでよく見られる 2 ウェイ スピーカー。家庭用ステレオ スピーカーは通常スピーカー ボックスに配置され、車のスピーカーは個別に設置される場合があることを除いて、これらは非常に似ています。

2ウェイスピーカーとは？

2 ウェイ スピーカーとは?

• 2 ウェイ スピーカー システムでは、2 つのドライバーを使用して、より優れた品質でフル レンジのサウンドを生成します。ステレオ アンプからの音声は、2 ウェイ スピーカー クロスオーバーによってスピーカー間で分割されます。
• 2 ウェイ スピーカーは世界で最も一般的なタイプであり、その多くは低価格で優れたサウンドを提供します。
• ツイーターは高周波を生成し、ウーファー スピーカーは音楽の中音域と低音域を生成します。
• クロスオーバーのタイプはモデルによって異なりますが、1 オクターブあたり -12dB の勾配を持つ 2 次クロスオーバーが非常に一般的です。また、位相シフトと呼ばれる問題も回避します これは他のデザインでも発生する可能性があります。

各スピーカーは、適切に生成できる音の範囲のみが提供されます:

• ツイーターは高周波のみを受信します - 通常は約 3KHz 以上
• ウーファーは低周波のみを受信します - 通常は約 3KHz 以下

使用されるクロスオーバー周波数は設計のニーズによって異なるため、すべての場合に機能するものはありません。さらに、設計されたスピーカーの正しいインピーダンス (オーム定格) で使用する必要があります。

同軸スピーカーも 2 ウェイ スピーカーです。実際、ここに示した例では、スピーカーの背面にクロスオーバーが見られます。別々のクロスオーバーと同じように、低域は大きなウーファーに送られ、高域はツイーターに送られます。

その結果、同じ音域を 1 つのスピーカーだけで再生しようとした場合に発生する歪みやパフォーマンスの低下がなく、フル レンジのサウンドが得られます。つまり、2 ウェイ スピーカーは、他の方法では得られないクリーンで詳細なサウンドを提供します。

多くの場合、優れたサウンドを得るために必ずしも高価なコンポーネントやスピーカーが必要になるわけではありません。低予算の 2 ウェイ スピーカーでも、とてもいい音を出すことができます!

適切なクロスオーバー周波数は?

真実は、すべてのスピーカーに有効なクロスオーバー周波数の完全なセットは存在しないということです。それは多くのことに依存します。ただし、多くの場合にうまく機能する最も一般的な周波数をいくつか紹介します。

これは、ほとんどのホームまたはカー オーディオ システムのニーズと、私自身のスピーカー設計および設置経験に基づいています。

どのクロスオーバー周波数を使用すればよいですか?

推奨クロスオーバー周波数表

スピーカー/システム タイプ	クロスオーバー周波数。 &タイプ
サブウーファー	70-80 Hz (ローパス) – 「ヒット」するピュアでクリアなベース サウンドに最適です。
車のメイン スピーカー (フルレンジ)	56-60Hz (ハイパス) – 歪みやスピーカーの「ボトムアウト」の原因となるローエンドの低音をブロックします。
ツイーターまたは双方向スピーカー	3 ～ 3.5KHz (ハイパス、またはハイ/ローパス) – ほとんどの 2 ウェイまたは 1 ウェイ (ツイーター) クロスオーバーは、これに近い周波数を使用します
ミッドレンジ/ウーファー	1K-3.5KHz (ローパス) – ウーファーと多くのミッドレンジ スピーカーは、この一般的な範囲を超えるとうまく機能しません。
3 ウェイ システム	500Hz &3.5KHz (ウーファー/ツィーター クロスオーバー ポイント) – 2 ウェイ システムと同様に、高周波数。

優れたサブウーファーの低音にとってクロスオーバーが重要な理由

優れた低音が必要な場合、パッシブ サブウーファー クロスオーバーは、電子サブウーファーのパフォーマンスに匹敵するものではありません。

車の中でピュアで強烈な低音を鳴らしている人がいる理由や、ホームシアターのサブウーファーの音がなぜこんなに良いのか疑問に思ったことはありませんか?それは今日のエレクトロニック クロスオーバーのおかげです。フルレンジ スピーカーとは異なり、 サブウーファーは、ミッドレンジの周波数を再生できる場合、特に音の劣化の影響を受けやすくなります。あなたが聞いた純粋な低音には、優れたクロスオーバーが必要です。

真のサブウーファーの周波数応答はかなり制限されているため (通常は約 20 ～ 100 Hz)、それらを最大限に活用することが重要です。

大きくてかさばり、時には見つけるのが難しいインダクター・ローパス・ボードを使用して、かなりまともな低音を得ることは可能ですが、ブロックアウトできるより良いカットオフを備えた電子クロスオーバーほど良い音ではないことがよくあります。ボーカルとトレブル。

また、低音ブースト機能が含まれているものもあります。これは、より強力なサウンドが必要な場合にパンチを追加するためのものです。これは、パッシブでは不可能です。 また、巨大で高価なインダクタ コイルなしでは、高電力レベルを処理できません。

リアフィルにクロスオーバーを使用する方法

リア スピーカーを使用するステレオ サウンド システムの問題の 1 つは、リア チャンネルがステレオ イメージを背後に「引っ張って」しまい、サウンドが濁ってしまうことです。これは、より高い音は、脳がどこから来ているかを知るための手がかりとして使用されるためです。これが、フェーダー コントロールを後方よりも前方に回す傾向がある理由の 1 つです。

との両方から聞こえると、 正しく聞こえないことがよくあります。サラウンド サウンドを再生するサラウンド サウンド システムでは、優れたサウンドが得られるように特別にミックスされているため、これは問題になりません。ただし、ステレオ サウンドを備えたサテライト スピーカー セットを使用すると、問題がすぐにわかります。

自分の車や家庭のシステムでより良いリア フィルを得るには、中域と高域をブロックするように設定されたローパス フィルターを使用するのが簡単な方法です。 1KHz や 500Hz のローパスなどを試してみて、どう思うか見てみましょう!

推奨読書

有名な Loudspeaker Design Cookbook を強くお勧めします。 すばらしい 独自のプロ レベルのカーまたはホーム オーディオ プロジェクトを構築するために使用できる式を含む情報源。私は経験から話します!

優れた DIY プロジェクトと回路については、エリオット サウンド製品ページをご覧ください。

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