前回は、2つのMOSFETがシーソーのように動く「プッシュプル構成」について解説しました。 これは「ハーフブリッジ」と呼ばれる最もシンプルな形ですが、実は高級機やハイパワーなD級アンプではこのセットを2組組み合わせた「フルブリッジ」構成が主流となっています。 このフルブリッジではスピーカーを両側からプッシュプルで駆動するため、同じ電源電圧でも理論上の出力は4倍にもなります。
ハーフブリッジではスピーカーを守るために音の通り道に巨大なコンデンサ（直流カット用）というフィルターを置かなければなりませんでした。 しかし、これは音の純度を損なう原因でもありました。 なぜコンデンサが音を汚すのか。 コンデンサが交流信号に対して示す抵抗成分である容量性リアクタンスXcは、次の数式で表されます。
Xc = 1/(2πfC)
この公式において周波数を指すfが分母にあることが最大のポイントです。 ベースやドラムなどの低い音になればなるほど分母が小さくなるため、結果として抵抗値である Xcは大きくなります。 つまり低音に対しては抵抗が大きくなることで、スピーカーへ届くはずのエネルギーが損なわれてしまうのです。 さらに厄介なのはコンデンサには電気を蓄える性質があるため、信号が通り抜ける際にわずかな待ち時間が生じることです。 低音ほどこの「溜めてから放す」という工程に時間がかかるため高音はすぐ届くのに低音だけがもたつくという音の高さによるタイミングのズレが生じます。どんなに高価なパーツを選んでもこの制約からは逃れられず、それが音像のぼやけや低域のキレのなさとして現れてしまいます。
フルブリッジ構成はこの問題を根本から解決しました。 スピーカーを挟んで左右のスイッチが連動し互いの電圧を打ち消し合わせることで直流成分をゼロに保つため、コンデンサを回路から物理的に排除しスピーカーとアンプを直結できるのです。 遮るもののないダイレクトな駆動は計算上のロスをなくすだけでなく、これまで音をぼやけさせリズムのキレを奪っていた原因を根本から取り除きます。
さらにこのフルブリッジ構成は、本来は必須だった外部のLCフィルター（コイルとコンデンサ）さえも省いてしまうフィルタレス技術を可能にしました。 フルブリッジによる精密なスイッチング制御を行うことで、スピーカーのボイスコイル自体が持つインダクタンスをフィルター代わりに利用できるようになったのです。
D級アンプの本質は電気が通る道を物理的に切り替えるスイッチング動作にあります。
D級アンプの回路の入り口にはコンパレータという比較器があります。 ここで音楽信号と一定の周期で刻まれる三角波の信号をぶつけ合わせます。 音楽の電圧が三角波より高いときはプラスの電圧を、低いときはマイナスの電圧を出し、パルス状の信号を生みだします。 これがパルス幅変調（PWM）と呼ばれる工程で音の強弱をパルスの時間の長さに置き換えています。
このPWM信号は次の二つのパワーMOSFETへと送られます。 回路構成は電源のプラス側とマイナス側の間に二つの素子を直列に配置したプッシュプル構成とっています。 これは一方のスイッチが閉じればもう一方が開くというシーソーのような動きです。 上のスイッチがONのときは正電源からスピーカーへ電流を送り出すプッシュの状態となり、逆に下のスイッチがONのときはスピーカーから電流を吸い込むプルの状態となります。
ここでA級アンプとの違いが現れます。 A級アンプは引き込みの局面でも上の素子から電流を流し続けその差分で制御していましたが、D級アンプは上のスイッチを完全に切り離して下のスイッチだけで道を作ります。 MOSFETを完全にONかOFFの状態だけで動作させるため、A級のように素子自体が抵抗となって熱を出す無駄がほとんどありません。 このスイッチングによって作られた高電圧のパルスを出口のLCフィルターに通すことで余分な高周波を取り除き、再び滑らかな音楽の波形へと復元してスピーカーを鳴らしています。
この仕組みにおいてアンプがスピーカーをどれだけ正確に制御できるかを示す指標がダンピングファクターです。 スピーカーのボイスコイルは慣性で動く際に自ら発電機となり、アンプ側へ電流を押し返す逆起電力を発生させます。 D級アンプのプッシュプル回路は音楽信号がない瞬間であっても常にどちらかのMOSFETが低い抵抗値でONの状態にあります。 特にプルの状態で下のスイッチがONになっているときはスピーカーの端子がグラウンドに直結された状態になります。 スピーカーが勝手に動こうとして逆起電力を発生させても、このON状態の道が巨大な逃げ道となって電流を速やかにバイパスしてします。 この低い出力インピーダンスが強力な制動力となり、ボイスコイルの不要な揺れを瞬時に止めて引き締まった音の立ち上がりを実現しています。
オーディオアンプの性能のひとつにダンピングファクターというものがあります。 一言で言えばアンプがスピーカーの暴走をどれだけ抑え込めるかという指標ですが、その正体はスピーカーとアンプのインピーダンスの比率にあります。
低音を出したときスピーカーの内部では次のような動きになっています。 まずアンプからの電流を受けたボイスコイルが磁界の中で突き出され大きな音が鳴ります。 しかし信号が止まった後も重さのある振動板とボイスコイルは慣性によって急には止まれず、元の位置を通り越して「いったりきたり」と揺れ続けようとします。
この「行き過ぎ」が発生した瞬間、ボイスコイルは磁界の中で動くことで自ら電気を作る発電機となり、アンプ側へ逆向きの電圧（逆起電力）を生み出します。 ここでアンプの出番です。 アンプ側のインピーダンスが低くこの電気をスムーズに受け入れられる状態にあると、ボイスコイルには一気に大きな電流が流れます。
電流が流れた瞬間ボイスコイルには「今の動きを止めようとする逆向きの力」が発生します。 これがいわゆる電磁ブレーキです。 アンプが出口を広げて電流を一気に流させるほど、この逆向きの力は強烈なカウンターとなって「行き過ぎ」の被害を最小限に食い止め、無駄な揺れをピタッと収まるのです。
設計の異なるアンプを比較するとこのブレーキの掛け方の違いがよくわかります。 D級アンプは出力素子の低抵抗化と制御技術を駆使して出口のインピーダンスを極限まで低くし、強烈な制動力でキレの良い音を作ります。 対してA級アンプは素子に常に大きな電流を流しっぱなしにすることで出口を電気的に常に開放しており、補正に頼らずとも素子そのものの動作状態で常にブレーキをかけ続けている安定感があります。
ただしアンプ側のインピーダンスがどれほど低くなってもブレーキには物理的な限界があります。 スピーカー側にはボイスコイルそのものが持つ数オームの抵抗が立ちはだかっているからです。 どんなにアンプが出口全開で電流を流そうとしても、スピーカー側の入り口が狭ければ流れる電流の量は頭打ちになります。
結局のところダンピングファクターとは単なる数値の競い合いではなく、スピーカーが発電した余分なエネルギーをアンプがいかに澱みなく流し逆向きの力を発生させて音の余韻をコントロールできるかという、制動の質の指標と言えます。
スピーカーの基本構造について学んだ内容を整理してみます。 スピーカーは電気信号を物理的な振動に変えて音として出力する装置です。 その中核を成すのは電気と磁気の相互作用です。 アンプから音声信号（交流電流）がボイスコイルに流れると、マグネットによって作られた強い磁界の中でコイルを動かそうとする力が発生します。 これがフレミングの左手の法則でおなじみの「ローレンツ力」です。 磁界の向きと電流の向きによって力の方向が決まるため、音声信号の波に合わせてボイスコイルが前後に激しく動きます。 この動きがコイルに固定された振動板（コーン紙など）に伝わり、空気を押し引きすることで「音」となります。
ボイスコイル
マグネットの力に反応して動き、電気エネルギーを振動のエネルギーに変える中心部品です。
コーン紙
音を放射する振動板です。コーン、ドーム、ホーンなどの形状があり、紙（パルプ）のほか、木（ウッド）や金属（アルミ・チタン）などが使用されています。
マグネット
ボイスコイルを効率よく動かすために必要な強い磁界を作り出す源です。
エッジ
振動板の縁をフレームに固定するパーツです。 振動板のストロークを支える要であり経年劣化による補修が最も多い箇所でもあります。
ダンパー
ボイスコイルに近い部分で振動板を支えるパーツです。 強力な磁石の狭い隙間の中心にボイスコイルを保ち、激しい動きの中でもコイルが磁石に接触しないよう精密に中心保持を制御しています。
エンクロージャー
図に記載はありませんが、これらのユニットを収める筐体（箱）のことです。
これらの要素が組み合わさることでスピーカーは機能しています。 音の出力は素材の物性や空間の制約による物理的限界が必ず存在します。 しかし振動板が押し出す空気の流れやエンクロージャー内部の容積、ボイスコイルの挙動をあえてどう制御するかといった緻密な設計によってスピーカーは作られています。
デジタルオーディオの仕組みを理解する上で欠かせないのがDACという装置です。 これはDigital to Analog Converterの略称で、日本語ではDA変換器と呼びます。 CDで音楽を聴く際、ディスクに記録されているのはデジタルデータです。 しかし最終的にスピーカーを振動させて音として鳴らすためには、この数値を電気の波であるアナログ信号に変換しなければなりません。 この重要な役割を担っているのがDACです。
一般的なCDプレイヤーにはDACの機能が内部に組み込まれています。 そのためプレイヤーの背面にある赤と白のアナログ端子からアンプへ接続するだけで音を鳴らすことができます。 しかしオーディオの世界では外付けの単体のDACがあえて使われます。 それはデジタルデータをアナログ信号へと変換する際の精度を徹底的に高めるためです。 プレイヤーに内蔵されているDACチップに比べて、専用のDACはノイズを極限まで抑え、より緻密で正確な音の波形を作り出すことができます。 その結果音の解像度が上がり、これまで聞こえてこなかった繊細な楽器の響きや演奏会場の空気感までもが再現されるようになります。
実際の接続においてはプレイヤーとDACの間をデジタルケーブルで繋ぐことが鉄則となります。CDプレイヤーの場合、光ファイバーを用いる光デジタル接続や、同軸デジタルケーブルを用いた接続を利用するのが一般的です。 これらの接続はデータをデジタルのまま送り出すためのものです。これによりデータの読み取りはプレイヤーが行い、音質を左右する変換の工程をまるごと外付けの専用DACに任せることが可能になります。 このようにデジタルの正確さとアナログの表現力を繋ぐ心臓部がDACなのです。
