ツィーターを買うと、ハイパスフィルターとしてコンデンサーが付属していることがあります。自分も「コンデンサーを入れると低音をカットできる」ということは知っていました。でも、あるときふと思ったんです。「そもそも、なんでコンデンサーを入れるだけで低音がカットできるんだろう？」今までは特に深く考えずに使っていましたが、改めて考えてみると、その仕組みをきちんと理解していませんでした。
そこで今回は、コンデンサーがハイパスフィルターとして働く理由を自分なりに調べてみました。
そもそもハイパスフィルターって何？
まずは、ハイパスフィルターの基本からです。「ハイパス」は、High（高い）とPass（通す）を組み合わせた言葉です。つまり、高い周波数を通し、低い周波数を減衰させるフィルターということです。カーオーディオでは、高音を担当するツィーターによく使われています。ツィーターは高音の再生に適していますが、低音まで無理に鳴らそうとすると、ユニットに負担がかかる場合があります。そこで、ツィーターに送る音楽信号から低い周波数を減衰させ、高音を中心に再生できるようにします。この役割を担うのがハイパスフィルターです。なかでもシンプルな構成なら、コンデンサー1個で作れます。では、なぜコンデンサーだけで低音を減衰させられるのでしょうか？
なぜコンデンサーを入れると低音をカットできる？
調べてみると、コンデンサーには周波数によって電気の通しにくさが変わるという性質があることが分かりました。基本的には、低い周波数ほど電気が流れにくく、高い周波数ほど流れやすくなります。これを理解するために、音楽信号の仕組みから考えてみます。スピーカーから出る音は、アンプから送られてくる電気信号によって生まれます。この信号は一定ではなく、電圧が波のように変化しています。例えば、100Hzの信号は1秒間に100周期、5,000Hzの信号は1秒間に5,000周期で変化します。つまり、低い音ほど電気信号の変化がゆっくりで、高い音ほど速く変化するということです。コンデンサーは、この変化の速さによって電気の通しにくさが変わります。低い周波数では電気が流れにくくなり、高い周波数では流れやすくなります。この性質を利用すれば、低い周波数を減衰させ、高い周波数を通しやすくできるわけです。つまり、コンデンサーそのものが低音を消しているというより、周波数によって電気の通り方が変わる性質を利用しているんですね。
ツィーターの手前にコンデンサーを入れるとどうなる？
カーオーディオでは、コンデンサーをツィーターの配線に直列接続する方法がよく使われています。配線のイメージは、次のとおりです。
アンプ → コンデンサー → ツィーター
アンプから送られてきた音楽信号は、ツィーターに届く前にコンデンサーを通ります。この回路では、低い周波数ほど信号が減衰し、高い周波数ほど比較的通りやすくなります。これが、コンデンサー1個で構成するシンプルなハイパスフィルターの仕組みです。
コンデンサーを入れたら低音は完全に消える？
ここでもう一つ気になったのが、「コンデンサーを入れれば、ある周波数より下の音は完全に消えるのか？」ということです。結論から言うと、そういうわけではありません。例えば、カットオフ周波数が4,000Hzのハイパスフィルターでも、4,000Hz以上はそのまま通り、それより下はすべて消える、というスイッチのような動きではありません。実際には、カットオフ周波数を境に、周波数が低くなるほど信号が徐々に減衰していきます。コンデンサー1個を使った1次ハイパスフィルターの場合、理想的な回路では、カットオフ周波数より低い領域で周波数が1オクターブ下がるごとに約6dB減衰します。これを「-6dB/oct」と表します。つまり、特定の周波数を境に低音をバッサリ切るのではなく、低くなるほど段階的に弱めていく仕組みです。
コンデンサーの容量を変えるとどうなる？
コンデンサーの容量を変えると、ハイパスフィルターのカットオフ周波数も変わります。基本的には、容量を小さくするとカットオフ周波数が高くなり、容量を大きくすると低くなります。ただし、カットオフ周波数はコンデンサーの容量だけで決まるわけではありません。接続するスピーカーのインピーダンスも関係します。例えば、同じ容量のコンデンサーを使っても、4Ωのスピーカーと8Ωのスピーカーでは、計算上のカットオフ周波数が異なります。さらに、実際のスピーカーは周波数によってインピーダンスが変化するため、計算上の値と実際の音響特性が完全に一致するとは限りません。そのため、コンデンサーを交換する際は、容量だけでなく、接続するツィーターの仕様も確認しておくことが大切です。
まとめ｜コンデンサーがハイパスフィルターになる理由
今回は、「なぜコンデンサーを入れると低音をカットできるのか？」という疑問について調べてみました。ポイントは、コンデンサーには周波数によって電気の通しにくさが変わる性質があるということです。この性質を利用してツィーターに直列接続すれば、低い周波数を減衰させるハイパスフィルターとして働きます。また、カットオフ周波数はコンデンサーの容量やスピーカーのインピーダンスによって変わります。部品を選ぶときは、こうした条件も考慮する必要があります。
今までは「ツィーターにはコンデンサーを入れるもの」と覚えていましたが、仕組みまで理解すると、部品の役割がよりはっきりしてきました。DIYでは、なんとなく「こうするもの」と覚えて使っている部品も結構あります。でも、仕組みを調べてみると、今まで気にしていなかったことも理解できるようになります。今回の調査で、コンデンサーが低音を減衰させる仕組みも理解できたので、また一つ知識が増えました。
※ ネットワーク調べてみたシリーズ
