カーオーディオを調整していると、「位相」という言葉が出てきます。位相は、スピーカーの極性やタイムアライメント、クロスオーバーなどと関係していて、スピーカー同士の音の重なりを考えるうえで重要な要素です。では、位相と極性・タイムアライメント・クロスオーバーには、どのような関係があるのでしょうか。
カーオーディオにおける位相とは？
まず、位相とは何なのかを簡単に説明します。音は空気の振動が伝わることで聞こえています。スピーカーの振動板が前後に動くことで空気が振動し、その振動が波のように広がって耳に届きます。この音の波が「今どの位置にあるのか」を表すのが位相です。音の波を1周期360度として考えると、180度は波の半分にあたります。同じ周波数の音を2つのスピーカーから出した場合、それぞれの波のタイミングがそろっていれば、音が重なって強くなることがあります。反対に、波のタイミングがずれていると、音同士が打ち消し合って、特定の周波数が弱くなることがあります。このような音の重なりによる変化を「干渉」といいます。カーオーディオでは、左右のスピーカーだけでなく、ツイーターとミッドウーファーなど複数のスピーカーから音が出ています。そのため、それぞれのスピーカーから出た音が耳に届いたとき、どのような位相関係になっているかが重要になります。
スピーカーの＋と－を逆にすると逆相になる？
位相について調べていると、「スピーカーの＋と－を逆にすると逆相になる」という話が出てきます。通常は、アンプの＋をスピーカーの＋へ、アンプの－をスピーカーの－へ接続します。これを逆に接続すると、スピーカーの振動板は通常とは反対方向に動きます。この操作を正確には「極性の反転」といいます。同じ信号に対して波形が反転するため、結果として180度反転した状態になります。そのため、カーオーディオでは「逆相」と表現されることがあります。ただし、ここで注意したいのが「極性」と「位相」は同じものではないということです。極性は電気的な＋と－の関係です。一方、位相は周波数ごとの波のタイミングを表します。カーオーディオではこの2つが混同されることがありますが、別のものとして考えたほうが分かりやすいと思います。
位相がずれる原因は配線だけではない
位相がずれる原因というと、スピーカーの＋と－を逆に接続することを思い浮かべるかもしれません。もちろん極性を反転すれば波形は反転しますが、実際のカーオーディオでは、それ以外にも位相の関係を変える要素があります。特に大きいのが、スピーカーまでの距離です。
スピーカーまでの距離による時間差
車の中では、運転席から左右のスピーカーまでの距離が同じではありません。例えば右側のスピーカーが自分に近く、左側のスピーカーが遠ければ、右側の音が先に耳へ届きます。音は波なので、届く時間が変われば、耳に届いたときの波の位置も変わります。つまり、スピーカーまでの距離が違うと音が届く時間にも差が生じ、その時間差が周波数ごとの位相差につながります。これが、カーオーディオでタイムアライメントが重要になる理由の一つです。
タイムアライメントと位相の関係
タイムアライメントは、各スピーカーから出た音が耳に届くタイミングを調整する機能です。車では、運転席からスピーカーまでの距離が左右で違うため、音が耳に届く時間にも差ができます。タイムアライメントを使うと、近いスピーカーの音を遅らせて、スピーカー同士の音がそろうように調整できます。音は波なので、届くタイミングが変われば、耳に届いたときの波の位置も変わります。そのため、タイムアライメントを変えると、スピーカー同士の位相関係も変わります。ただし、位相の変化は周波数によって異なります。同じ時間差でも、低い音と高い音では位相のずれ方が変わります。自分がタイムアライメントを調整するときも、実測した距離だけを頼りにせず、ボーカルの定位や音の中心を確認しています。
クロスオーバーでも位相は変化する
位相を考えるうえでは、クロスオーバーも重要です。クロスオーバーとは、音の周波数帯域を分けて、それぞれのスピーカーに担当させるためのフィルターです。例えば、ツイーターには高い周波数を中心に再生させ、ミッドウーファーには低い周波数を中心に再生させるといった使い方をします。このとき使用するハイパスフィルターやローパスフィルターは、単純に音量だけを変えているわけではありません。フィルターを通すことで、周波数によって信号の位相も変化します。そのため、クロスオーバーを設定するときは、「何Hzで分けるか」だけでなく、クロスオーバー周辺でスピーカー同士の位相がどのような関係になるかも重要です。
減衰スロープによって位相も変わる
クロスオーバーには、6dB/oct、12dB/oct、18dB/oct、24dB/octなどの減衰スロープがあります。これは、クロスオーバー周波数から離れた音を、どのくらいの速さで小さくするかを表しています。数字が大きいほど、音を急激に減衰させます。例えば、6dB/octはゆるやかに減衰し、24dB/octは急激に減衰します。そして、減衰スロープが変わると、フィルターによる位相の変化も大きくなります。一般的な最小位相型フィルターでは、6dB/oct、12dB/oct、18dB/oct、24dB/octとスロープが急になるほど、周波数による位相の変化も大きくなります。フィルター全体で見ると、6dB/octでは最大約90度、12dB/octでは約180度、18dB/octでは約270度、24dB/octでは約360度の位相回転が起こります。ただし、これはフィルター全体で見た位相の変化です。「24dB/octだからクロスオーバー周波数で360度ずれる」という意味ではありません。例えば、一般的な1次のローパスフィルターでは、クロスオーバー周波数付近で約45度の位相遅れが生じます。また、クロスオーバーには、いくつかのフィルターの種類があります。同じ減衰スロープでも、フィルターの種類が違えば位相の変化も異なります。そのため、減衰スロープの数字だけで位相を判断することはできません。
クロスオーバー周辺ではスピーカー同士の位相が重要
例えば、ツイーターとミッドウーファーをクロスさせる場合、ツイーターにはハイパスフィルター、ミッドウーファーにはローパスフィルターを使用します。クロスオーバー周辺では、両方のスピーカーから音が出ています。それぞれのフィルターによる位相の変化に加えて、スピーカーまでの距離やタイムアライメントによる時間差も影響します。さらに、スピーカー自体の特性や車内の反射も加わります。そのため、クロスオーバー周辺でスピーカー同士の音をきれいにつなげるには、フィルターだけでなく、距離やタイムアライメントなども合わせて考える必要があります。クロスオーバーを調整するときは、周波数やスロープを変えながら、測定結果と実際に聞いた音の両方を確認しています。
位相が合わないと音はどうなる？
複数のスピーカーから出た音の位相関係がうまく合っていないと、特定の周波数が弱くなることがあります。例えば、
- 特定の音域だけ薄く感じる
- 低音が弱く感じる
- ボーカルの定位が不安定になる
- スピーカー同士のつながりが悪く感じる
- 音の中心がぼやけて感じる
といった変化が出ることがあります。ただし、こうした症状があったからといって、必ず位相だけが原因とは限りません。スピーカーの周波数特性、音量、取り付け、タイムアライメント、クロスオーバー、車内の反射など、さまざまな要素が関係しています。
位相は「0度か180度」だけではない
カーオーディオ機器には、「PHASE 0° / 180°」のような設定がある場合があります。しかし、実際の位相が0度と180度の2種類しか存在するわけではありません。位相差は45度、90度、135度、180度など、さまざまな値になります。また、位相は周波数によって変化するため、ある周波数では位相が合っていても、別の周波数ではずれているということもあります。そのため、カーオーディオの位相は「0度か180度か」という単純な話ではありません。
カーオーディオの位相を調整するときに考えること
自分がカーオーディオの音を調整するときは、位相だけを単独で考えないようにしています。まずスピーカーの極性が正しいかを確認します。次に、スピーカーまでの距離やタイムアライメントを確認します。そのうえでクロスオーバーの周波数や減衰スロープを設定し、クロスオーバー周辺でスピーカー同士がどのようにつながっているかを確認します。必要であれば測定を行い、周波数特性に大きな落ち込みがないかなども確認します。ただし、実際の車内では音の反射やスピーカーの取り付け状態なども影響するため、理論上の設定だけですべてが決まるわけではありません。最後は実際に音を聞きながら、自分が自然だと感じるところまで調整していくことも大切だと思っています。
まとめ
カーオーディオにおける位相とは、簡単に言えば「音の波がどのタイミングにあるのか」を表すものです。複数のスピーカーから出た音が耳に届くとき、波のタイミングが合えば音が強くなり、ずれていれば音が打ち消し合って弱くなることがあります。位相に影響する主な要素には、スピーカーの極性、スピーカーまでの距離、タイムアライメント、クロスオーバー、減衰スロープ、スピーカー自体の特性、車内の反射などがあります。特にクロスオーバーでは、減衰スロープによって音の減衰量だけでなく位相特性も変化します。ただし、同じ24dB/octでもフィルターの種類によって位相特性は異なるため、「24dB/octだから位相はこうなる」と単純に判断することはできません。カーオーディオの調整では、単純に「どのスピーカーから、どの周波数を鳴らすか」だけではなく、「それぞれのスピーカーから出た音が、リスニングポジションでどのようなタイミングで重なっているのか」を考えることが重要です。位相を理解すると、極性、タイムアライメント、クロスオーバーを調整する意味も、より分かりやすくなります。自分もカーオーディオを調整するときは、音量やイコライザーだけでなく、スピーカー同士の位相やタイミングまで意識するようにしています。