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入っています。「コンデンサーをはさむ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「そういうものなんだろう」と特に深く考えずに使っていましたが、考えてみると仕組みがよく分かっていません。そこで、コンデンサーがなぜ ハイパスフィルター になるのか、自分なりに調べてみました。「なぜコンデンサーを入れると低音がカットできるのか？」、この部分を中心に、自分なりにできるだけ分かりやすくまとめてみます。
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についてです。「ハイパス」という言葉をそのまま考えると分かりやすいです。High（高い）をPass（通す）。つまりハイパスフィルターとは、「高い周波数を通すフィルター」という意味です。カーオーディオでは、ツィーターなどの高音を担当するスピーカーによく使われています。ツィーターは高い音を鳴らすのが得意ですが、低い音を鳴らすのは苦手です。そこで、ツィーターに送られる音楽信号から低い周波数を減らして、高い周波数を中心に送るようにします。その役割をしているのがハイパスフィルターです。そして、一番シンプルなハイパスフィルターは、コンデンサー1個で作ることができます。ここで自分が気になったのが、「なんでコンデンサー1個で低音をカットできるのか？」というところです。
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やすさが変わる」という特徴があることが分かりました。簡単に言うと、低い周波数は通しにくい、高い周波数は通しやすい、という性質があります。でも、これだけだといまいちピンときません。そこで、もう少し調べてみました。まず、スピーカーから出ている音は、もともとはアンプから送られてくる電気の信号です。そして音楽の信号は、ずっと同じ電気が流れているわけではなく、電気の向きや大きさが波のように変化しています。低い音はこの変化がゆっくり、高い音は変化が速い。たとえば100Hzなら1秒間に100回の周期で変化し、5,000Hzなら1秒間に5,000回の周期で変化します。つまり、低い音＝ゆっくり変化する電気信号、高い音＝速く変化する電気信号、というイメージです。そしてコンデンサーは、この電気信号の変化する速さによって「通しやすさ」が変わります。ゆっくり変化する低い周波数の信号は通しにくく、速く変化する高い周波数の信号は通しやすい。なるほど、だからコンデンサーをスピーカーの手前に入れると、低い周波数を通りにくくできるわけですね。
ツィーターの手前にコンデンサーを入れるとどうなる？
カーオーディオの場合、コンデンサーをツィーターの配線に直列で接続する方法があります。イメージとしては、アンプ→コンデンサー→ツィーター という順番です。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。ここで低い周波数の信号が来ると、コンデンサーによって通りにくくなります。一方、高い周波数の信号は通りやすいため、ツィーターまで届きます。つまりコンデンサーが、「低い周波数は通しにくくする」、「高い周波数は通しやすくする」というフィルターの役割をしているわけです。これが、コンデンサーを使った一番シンプルなハイパスフィルターの仕組みです。今まで自分は「ツィーターにコンデンサーを付けると低音がカットされる」という結果だけを覚えていました。でも、「コンデンサーは低い周波数ほど通しにくく、高い周波数ほど通しやすい」ということが分かると、なぜハイパスフィルターになるのかが理解しやすくなりました。
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ことがあります。「じゃあ、コンデンサーを入れたら、ある周波数より下の音は完全に消えるの？」という疑問です。これも調べてみると、そういうわけではないようです。たとえば4,000Hzを基準にしたハイパスフィルターだからといって、4,000Hz以上は全部通す、3,999Hz以下は全部カットする、というスイッチのような動きではありません。実際には、周波数が低くなるにつれて、だんだん信号が弱くなっていきます。コンデンサー1個を直列に入れたハイパスフィルターは「1次フィルター」と呼ばれ、基本的には-6dB/octの傾きで減衰するそうです。このあたりから少し難しい話になってきますが、自分としては、「設定した周波数から下をバッサリ切るわけではない」ということを覚えておけば、とりあえずOKかなと思っています。
コンデンサーの容量を変えるとどうなる？
さらに調べてみると、コンデンサーは容量によってハイパスフィルターの特性も変わることが分かりました。基本的には、コンデンサーの容量を小さくすると、カットオフ周波数が高くなります。逆にコンデンサーの容量を大きくすると、カットオフ周波数が低くなります。つまり、ツィーターに使うコンデンサーの容量を変えることで、どのあたりの周波数からツィーターを鳴らすのかをある程度調整できるわけです。ただし、コンデンサーの容量だけでカットオフ周波数が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てくるため、同じ容量のコンデンサーでも、4Ωと8Ωのスピーカーではカットオフ周波数が変わるそうです。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します。なので、計算上のカットオフ周波数と実際の音響特性が完全に同じになるわけではないようです。
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 ハイパスフィルター になるのか？」という疑問について、自分なりに調べてみました。今までは、「ツィーターにはコンデンサーを入れる」、「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、なぜそうなるのかまでは、あまり深く考えたことがありませんでした。今回調べてみて、一番分かりやすかったのは、「コンデンサーは低い周波数を通しにくく、高い周波数を通しやすい」ということです。だからツィーターと直列にコンデンサーを入れると、低い周波数が通りにくくなり、高い周波数を中心にツィーターへ送ることができます。これがコンデンサーを使った ハイパスフィルター の基本的な仕組みです。もちろん、実際にコンデンサーの容量を決めるとなると、スピーカーのインピーダンスやカットオフ周波数など、もう少し詳しい知識が必要になります。でも、「なぜコンデンサーで低音をカットできるの？」という疑問については、今回かなりスッキリしました。
DIYしていると、なんとなく「こうするもの」と覚えて使っている部品が結構あります。でも、こうやって仕組みを一つずつ調べていくと、「じゃあ、コンデンサーの容量を変えたらどうなるんだろう？」という次の疑問も出てきます。このあたりが、DIYの面白いところなのかもしれませんね。