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中学生の頃からのオーディオ好きです。 45年以上にわたって さまざまな製品の魅力を発見し、その能力を発揮させることに喜びを感じてきましたが、 残された人生の時間のことを考えると そろそろそのよ…

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2018年07月24日

スピーカーに半波サイン波(サイン波1波(単発サイン波)の半分)を入力した時に、スピーカーの振動板は一瞬前に動かされてまた元の位置に戻ってきますが、この振動板を元の位置に戻す力は何が起こしているのでしょうか。

スピーカーユニットの機械的復元力(エッジやダンパー)は重要であると思われます。
ところが、中にはエッジレス、ダンパーレスのユニットもあります。(例えばViVlabのevanuiなど)

またアンプの駆動力によるものという考えもあります。
ただ、半波サイン波の最初から最後まで振動板を元の位置に戻す電流をアンプがユニットに送り出すことはないはずです。

また逆起電流によるものという考えもあります。
しかしながら、偏移した振動板を正確に元の位置に戻すぴったりの量の電流が生ずるというのは信じがたいことです。
また、コンデンサー型ユニットでは逆起電流は生じないはずです。

いろいろ疑問がありますが、さまざまなご意見を寄せていただければ幸いです。

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レス一覧

  1. moukutsuさん 初めまして。

    私はこのように考えます。

    本当に振動板がその通り動くかは別問題として、半波サインが入力された時アンプはスピーカーのモーターを半波サイン分駆動しようとします。

    「行き」はスピーカーの振動板が元の位置に留まろうとする力と振動板を自然な位置に戻そうとする力とモーターが振動板を駆動する(入力信号に従い前に押す)力の合成

    「帰り」はスピーカーの振動板が元の位置に留まろうとする力と振動板を自然な位置に戻そうとする力とモーターが振動板を駆動する(入力信号に従い元の位置に戻す)力の合成

    ゴール地点、あるいは無信号時にモーターがどのような駆動状態になるか考えてみましたがパッと答えが浮かびませんでした。電流を流し続ければ保持ですがそれは直流なのでいずれコイルを焼き切ってしまいます。

    byhigh speed at2018-07-24 22:20

  2. high speedさん 
    コメントありがとうございます。

    半波サイン波などを挙げたのには、半波サイン波ですから波は全てプラス側にあり、従ってアンプからの電流は振動板を前に押し出す力のみであって、その力が徐々に増えて徐々に少なくなって最後はゼロになるという変化だと思ったわけです。

    そこにはアンプによる振動板を後ろに引き戻すという電流が流れることは一瞬たりともないと思うのですが、ユニットによる逆起電流などというものが関わるとそうでもないのでしょうか。

    コンデンサー型ユニットでは逆起電流というものも起こりませんのでゼロポジションに振動板が戻ってくる力はやはり振動板のテンションによる復元力のみということになるのでしょうか。

    bymoukutsu at2018-07-25 00:04

  3. 入力信号に従い「押すのをやめる」これならいかがでしょうか?

    あと一箇所訂正します。1つ目の力は、スピーカーの振動板が元の位置に留まろうとする力ではなく、現在の運動状態を維持しようとする力でした。

    byhigh speed at2018-07-25 00:52

  4. moukutsuさんはじめまして

    疑問に思われていることはつまり、交流波形を全波整流もしくは半端整流した直流(マイナスにならないので)を入力したときに、ユニットがどう動くかですよね。
    次に、それが1波ならどうなのか?振動板は元の位置に戻るのか?ですよね。当然エッジレスダンパーレスのユニットでテストする必要があります。
    自分の想像ではエッジとダンパーとキャビネット内の空気の影響が無ければ振動板は戻ってこないと思います。

    byテナガザル at2018-07-25 07:27

  5. 初歩的な誤解、混同があるのではないでしょうか。

    スピーカーは、音声信号を振動に換えるものです。電磁誘導の原理に従っています。つまりマックスウェル方程式ですが、これは微分方程式です。スピーカーの場合は、磁界中に置かれたボイスコイルに流れる電流の変化(=音声信号)によって振動が生じ、ボイスコイルに直結した振動板が振動するわけです。

    電流が変化しなければ何も起きません。電流値によってボイスコイルの位置に変位が起こるということではありません。つまり直流が流れても(ボイスコイルが抵抗熱で焼けるかもしれませんが)ボイスコイルは動きません。これが第一の誤解ではないでしょうか。

    アンプにDC漏れがあっても接続した瞬間にコーンは一瞬だけブルッと動きますが、後は何も起きません。半波の場合は、半波だけ発生して止まることになります。半波の後半分は電流値の変化量(微分値)はマイナスですので、元に戻る方向に力が働くということです。ご質問の趣旨はもしかしたら四分波でも元に戻るのはなぜか?ということだったのでしょうか?

    byベルウッド at2018-07-25 17:55

  6. スピーカーの振動子は(当たり前ですが)基準位置に支持されています。ボイスコイルに発生する力によってその基準位置を中心に振動します。振動ですから、作用が無くなれば中心位置に戻るのは当然です。では、ボイスコイルと振動板を支持しているのは何か?ということになります。ご質問の趣旨はこのことだったのでしょうか?

    答えは、ダイナミックスピーカーであればダンパーということになります。

    ダンパーも結局は独自の振動特性を持ちますから歪みを生じます。そのことは振動板と同じです。できるだけ振動抵抗(インピーダンス)が低くて制動(内部損失)があるものという矛盾した物性が求められるのは振動板と同じわけです。

    エッジのほうは、ダンパー(振動板支持)機能を分担するともいえますがほとんどありません。…というかあると歪みの原因になってしまいます。大事なのはキャビネットをシールして内部の音を漏れないようにする役割が主です。

    エッジレススピーカーというのがパイオニアなどで開発されていますが、振動板だけでエッジが無いというだけであって、独自のシール構造になっています。振動板とキャビネットの間が完全にフリーですき間が空いているということはありません。

    ダンパーレススピーカーというのは、私が知る限りでは、ソニーが磁性流体を使用して振動子を支持するという構造を実用化させたものがあります。

    Vivlabのevanuiは、同じく磁性流体によるダンパーレスです。こちらはなおかつエッジレスということでもあるのですが、振動板の後面の支持部の磁性流体がシール機能も兼ねているということではないでしょうか。工房で試聴させていただいたことがありますが、前面から振動ユニットがまるごと手で取り出せるようになっていてびっくりした記憶があります。構造図を見ていないのであくまでも個人の推定です。実際にどうなっているのかは皆目わかりません。あの人(秋元氏)は、天才的発想の持ち主です。

    byベルウッド at2018-07-25 18:07

  7. ベルウッドさん 横レス失礼します。

    >>電流が変化しなければ何も起きません。電流値によってボイスコイルの位置に変位が起こるということではありません。

    これってトランスと混同していませんか?

    スピーカーは分類上ボイスコイル型リニアモーターで電流で力を発生するのでダンパー(制止力)が無く磁束が供給されれば、永久に加速を続けると思いますが?

    最終的に基準位置に戻るのはダンパーと云う事になるので力を加えなければ戻る速度はダンパーの定数でほぼ一定?

    なので周波数によって見た目の挙動は大きく異なると思います。
    ①f0付近 戻る速度の近くなので半波波形が再生されたように見えるかも
    ②f0より十分高い コーンが出たまま止まった様に見えるかも(信号の長さに比べて)・・・その後ゆっくりと(戻る速度)原点復帰
    といった挙動になると思います。

    byhelicats at2018-07-25 22:29

  8. ベルウッドさん
    スピーカーの振動板というものは、ダイナミック型の場合、磁気回路内でアンプから流れてきた電流によって発生する電磁力によるボイスコイルの動きをそのまま外に伝えているものです。
    すなわち直流であろうが交流であろうが電流が流れればその電流に従って変位します。

    そんなことはありえないと思われるかもしれませんが、一度裸のダイナミック型ユニットに電池からのDCを入力して振動板の位置を観察してみて下さい。直流を流せば振動板は前あるいは後ろに変位してユニット自身の機械的復元力との吊り合った位置で静止するはずです。

    bymoukutsu at2018-07-25 22:52

  9. moukutsuさん、

    はじめまして。
    ですが、「京都人さん」のお名前はネットや交流のある方々から聞いていますので初めてという感じはあまりしないのですが…

    半波サイン波というのは自然界にはないものなので、このご質問の主旨を理解するのは私には難しいですが…
    スピーカーに関しては専門外ですが電磁系ということに関してはモーターの制御回路設計に携わっていたので基本的なことは理解しています。
    スピーカーの振動板を元の位置に戻すための制動にはダンパーなどの機械的なつり合い以外に逆起電力の寄与は大きいと思います。
    半波サイン波の出力後はアンプの出力はゼロになるわけですが、その時点ではスピーカーの振動板はまだ動いていると考えられます。スピーカーのボイスコイルが磁界の中で動くとその速度に比例した逆起電力(電圧)が生じます。(フレミングの右手の法則)
    この時、アンプの出力は電圧ゼロですからボイスコイルにはその逆起電力をボイスコイルのインピーダンスで割っただけの電流が流れます。
    この電流により静磁界内のボイスコイルにはその速度とは反対方向の力が働くことになります。(フレミングの左手の法則)
    その力は電流に比例します。
    つまり制動がかかるのです。
    アンプの出力がゼロの場合ボイスコイルが動いている間は常にその速度を抑えようとする力が完全に止まるまで働くわけです。

    コンデンサ・スピーカーについては完全に専門外ですが、電極間に電圧をかけることで生じる電荷によって力が生じるはずなので、それとフィルムの張力の吊りあったところが落ち着くところになると思います。

    byK&K at2018-07-25 23:00

  10. おやおやhelicatsさんまで、そんなことを仰る。

    原理的にはトランスと一緒ですよ。トランスは直流電流を伝送しませんよね。同じです。ただし片一方はコイルに流れる電流ではなく、機械的振動ということになります。磁束変化と電流との相互作用です。

    直流モーターの原理は、対になったコイルに電流を流し生じた磁力と永久磁石とを反発させ回転力(トルク)を生じる。それをブラシ(整流子)で交代させるて回すというものです。

    リニアモーターは、回転モーターの磁石を直線に並べて一方向に押し出すというものです。

    ブラシレスのDCモーターは、ブラシではなくて位置検出部を設けてそれでコイル電流の極交代をコントロールするというもの。これだとコッキングが起きますが、位置検出信号に同調するアンプによってコイルに流す電流を交流でコントロールすればコッキングは無くなります。この辺りはK&Kさんがご専門ではないでしょうか。

    何だかお釈迦さまに門前の小僧が説法するみたいなことで恐縮です。

    byベルウッド at2018-07-26 00:09

  11. moukutsuさん

    それは、ボイスコイルに発生する磁力によって機械振動の中心点がずれるということですね。DCバイアスみたいな話しです。

    長年、金田式アンプを愛用してきたのでDCアンプのDC漏れやドリフトの問題にはセンシティブなんです。オペアンプを使う以上DCリークは避けられませんから。

    その経験からするとスピーカー振動の中心遷移はあまり問題ではないと思っています。問題となるようなDCであればスピーカーが危険になるので何らかのプロテクターで遮断するほうが先にきます。

    市販アンプは、DCリークを避けるためにカップリングコンデンサーを入れたり、スピーカー出力にローカットフィルターを入れたり、あるいはDCサーボをかけたりしていますが、音質的にはその影響の方が大きいと感じています。いくら良質なコンデンサーを入れてもそれは必要悪で程度の問題です。やはり何よりも直結がよい音がします。

    DCオフセットは、むしろ、後段のアンプの上下の領域がずれることによる非線形ひずみの影響が大きいのではないかと考えています。特にゲインの大きいプリの初段で発生したDCが出力段の歪み(音質)にかなり影響します。ゼロにはならないのですがそれでも小さな値に追い込んでいけば問題はほぼ解消できます。スピーカーに与える影響領域からすれば問題にならないくらいの小さな値のお話しです。

    byベルウッド at2018-07-26 01:24

  12. moukutsuさま
     特殊な場合ですが、(完全密閉ではない)箱に入れて、ダンパー等中点維持のばねが入っていない場合、信号を入れると、紙風船の原理で、中点からずれて行きます。
     

    byナショナルキッド at2018-07-26 17:12

  13. 今回半波サイン波などを想定したのは、以前ユニットの単発サイン波応答を考えていて信号がゼロクロスする瞬間に振動板は一体どの位置にあるのかということを考えたのがきっかけです。

    単発サイン波では、信号がゼロクロスした直後からユニットを後ろ向きに引き戻す電流がアンプから供給されます。
    こうなるとややこしいので、話を単純化させるために半波サイン波なるものを考えた訳です。

    この信号ではアンプからの電流は全て振動板を前向きに変位させる力のみとなり、その力が徐々に増加し、ピークを過ぎれば徐々に減少してゼロになるという変化を起こします。

    機械的復元力の元となるエッジやダンパーなどのサスペンションがなければ恐らく振動板は単に前方に飛んでいってしまうだけとなることが予想されますが、サスペンションの力で中点に引き戻されることが起こります。

    となるとピークを過ぎた後の振動板の動きはサスペンションの力のみで中点に向かうのか、あるいはそれにアンプの何らかの作用が加わっているのかということが疑問でした。

    bymoukutsu at2018-07-27 00:11

  14. もしサスペンションの力が弱くて振動板を素早く元の位置に戻せない場合は、入力信号がゼロクロスする瞬間には振動板はまだ前方に変位したままとなっており、次の動きはオフセットされた位置から始まるということになります。
    これが続けばタイミングによっては変位量が積み重なってついにはボトミングを起こしてしまうことにもなるでしょうし、動きに十分な余裕がなければダイナミックレンジが圧縮されたようになることも考えられます。
    となるとサスペンションは振動板を素早く引き戻せるだけの強い復元力を備えた方が良いということになりそうですが、それは正しいのかどうかは不明です。

    また我々はアンプの違いによってスピーカーからの音質、特に低域を始めとした音のコントロールの感じが随分違って聴こえることを経験しています。この違いがどこから生じるかということの解明にもつながるのではないかと考えました。

    果たしてアンプにとって重要なのは、内部インピーダンスの低さを表すダンピングファクターなのか、負荷となるスピーカーのインピーダンス変動にも十分ついていけるだけの電源の力なのか、あるいはACアンプやDCアンプといった違いなのか、A級やB級といった動作方式の違いなのか、シングル動作かバランス動作かというような違いなのか、これらの違いが振動板をコントロールするという点にどのような差を生ずるのか、またその理由は何か などということに考えが進んでくることを期待しております。

    bymoukutsu at2018-07-27 00:14

  15. moukutsuさんこんばんは

    そもそも論なのですが、振動板は元の位置に戻らないといけないとお考えのご様子ですね。
    むしろそれは何故なのでしょうか?
    振動板は信号通りに動くのが1番であり、とにかく真ん中にいないといけない理由は無いと思います。
    しかし現実には振動板は磁気回路の真ん中にいなくてはなりません(笑)
    これはスピーカーの磁束密度が一様ではないのとエッジとダンパーの影響でボイスコイルが中央から外れるほど歪みが大きくなるからです。
    この2つは分けて考えるべきと思います。
    仮に振動板のストロークが無限に長く、磁場が一様であれば必ず元の位置に戻らないといけないなんて思わないはずです。
    つまりあくまでエッジとダンパーは振動板に対して何も仕事(影響)をしない方が理想的であるが、現実問題として常に振動板を中央に保持して欲しいということです。
    自分は可能な限り弱く振動板を保持してくれて十分に長い時間を掛けて振動板を中央に引き戻してくれる物が良いダンパーではないかと考えます。

    byテナガザル at2018-07-27 21:50

  16. moukutsuさん、はじめまして!

    ダンパーとエッジの弾性復元力?とエンクロージャー内の空気バネの力で元に戻るのだろうなあ、くらいに簡単に考えていたのですが皆様の深〜いコメントを拝見しまして、実際には何も理解していないのにも関わらず、分かったつもりになっていた事に気が付かされました。

    読んでもとても理解はできていませんが。。。

    それどころかBTLの場合はどうなんだろうという新たな疑問が湧いてきました。
    BTLだと押すも引くも電流由来の力になるのだと思っていたのですが、どうやら違うようですね。

    しかし、こういう話は面白いですね。

    byCENYA at2018-07-27 22:24

  17. テナガザルさん
    仰る通りで、振動板は入力信号通りの動きをするのが理想であると考えております。
    従って今回想定した半波サイン波の終了時には信号レベルはゼロですから振動板もゼロポジション(元の中点)に戻っているべきだと考えているのですが、間違っておりますでしょうか。

    また、ご指摘のように通常のユニットの場合、振動板が中点から離れれば離れるほど次の瞬間に動ける範囲は狭くなってきます。

    例えばあるユニットの振動板の可動範囲が-10から+10までだとすると仮定すると、もし振動板が中点の位置にあれば次の瞬間に+8の信号がやってきてもそれに追従することができますが、もし振動板が中点以外の例えば+5の点にあったとすると次の瞬間にそこからさらに+8の変位を起こすことは不可能で、すなわち入力信号に忠実な動きが行われなくなるということです。

    音楽信号のように次から次へと複雑な入力波形の変化が起こる場合、振動板が中途半端な位置でうろうろしていてはとうてい正確な信号再生は望み得ないだろうと考えております。

    入力信号がゼロクロスする瞬間には振動板もゼロポジションを通過するべきであり、これがずれてくると先に書いたようにユニットのボトミングなどを起こします。

    このあたりの振動板の動きについては、ユニット自体の振動板をゼロポジションに戻す機械的復元力だけではなく、アンプの違いによっても結構動作が変わる事を現実には経験しておりますので、その実体を知りたいというのが今回のこの記事の趣旨でございます。

    bymoukutsu at2018-07-28 00:59

  18. CENYAさん
    そうですね。
    半波サイン波自体には振動板を後ろに移動させるようなマイナス電流を発生させる要素がありません。

    先にも書きましたが、今回半波サイン波などを想定したのはアンプからプラス電流のみが増減しながら流れて最後にはゼロになるような状況で振動板が信号終了の瞬間にどの位置まで戻っているのかということを考えるためでした。

    半波サイン波が終了した瞬間に位相を逆にした半波サイン波を続けると単発サイン波となります。
    単発サイン波でのゼロクロスの瞬間における振動板の位置がどのようになっているか、もしゼロポジションになければ下向きの半波サイン波に対してはゼロポジションから出発できないので波形を正確に再現できません。

    音楽信号の場合はさらに複雑な動きになり、振動板が常に不安定な位置でフラフラとしていては波形伝送も夢のまた夢となってしまいます。

    このことを考える最初の一歩として現象を最も単純化させた半波サイン波なるものを想定したというわけです。

    振動板に対する制御が機械的復元力に多くを委ねていることは間違いないと思いますが、アンプの違いによってもその動作が様々に変化する事実に対してこのような考察を重ねていく中でその理由を知りたいと思っております。

    bymoukutsu at2018-07-28 01:20

  19. それと、密閉型エンクロージャ内の空気の弾性力による振動板制御は、ARなどを代表とする完全密閉型(エアサスペンション型)においては重要な要素となっていると思います。

    しかしながら、エンクロージャを持たない平面バッフルにおいてもユニットの振動板は中点に復元しようとします。ここには空気の弾性はほとんど働いていないと考えられますから、やはりエッジやダンパーによる機械的復元力が主体となっているはずです。

    今回の趣旨は何度も書いておりますが、この現象に対するアンプの関与がどのような形で起きているのか、またアンプの違いによってこの制御力が何故違ってくるのかということを知りたいということです。

    bymoukutsu at2018-07-28 01:31

  20. moukutsuさん 再度失礼します。

    今回は振動板の動きを問題にしているみたいですが、最終的には空気をどう動かすかがスピーカーの役目だと考えます。

    そうした意味では半波サイン波では空気を前に押す力のみで 引く力は掛からなくて良いのでは?
    なので前に出た状態で終了が理想形だと思います。

    次の半波は前に出た状態からスタートですが・・・連続して繰り返す内にダンパーの中央に戻す力が合成されてセンターを中心に+-に動き出すと思います。

    byhelicats at2018-07-28 21:14

  21. moukutsuさん

    振動板の可動範囲が-10から+10までだとすると仮定するのが面白かったので横レス失礼します。

    +8の信号はちょっと大音量過ぎるので想定しなくても良いのではないかと思います。ジェントルな音楽はもっと狭い範囲、例えば+/-2とか3で十分ではないでしょうか。

    エッジレスダンパーレスを想定してもDC成分のない連続した信号が入力された後のオフセットは信号の時間軸方向の累積で+/-1以下に集約すると思われます。

    例えば0から+8への振幅を持つ半波サインの連続は、DC成分を含むのでマスタリング時にエンジニアによって取り除かれ、商用音源としてはほとんど出回らないと思います。

    byhigh speed at2018-07-29 05:00

  22. helicatsさん high speedさん
    図に描けば簡単なことなのに言葉で伝えようとすると難しいことを痛感させられています。

    オーディオでは半波サイン波を再生することが目的でないことは当然です。半波サイン波という現実にないものを想定したのは、何度も書いておりますが現象を単純化させて考えを進めやすくするためです。

    現実の音楽信号では単純なサイン波の連続ということはほとんどありません。
    波形を見ても一旦上がって少し下がってまた上がってまた下がって次に大きく上がったかと思うと急に大きく下がる・・・などということが繰り返されています。

    先に書いた例に従って
    もしこの信号に従って忠実に動く振動板の位置を数値で表してみると
    0 3 5 6 4 6 7 4 3 9 0 -6 -2 3 ・・・ のようになるはずです。

    問題は、振動板の後方あるいは前方への戻りが不十分な場合です。
    そのような場合は
    0 3 5 6 5 7 8 6 5 11 7 3 -3 -2 3・・・のようになる可能性があります。

    この変化をグラフに一度描いていただいて比較されると分かりやすいかもしれません。

    さて、後者の振動波形は入力された元波形と比べて忠実であるとは言えず、また11となったときはいわゆるボトミングを起こしていると言えます。

    従って理想は振動板が元信号の波形通りにすばやく動いてくれることですが、そのためにはアンプからブラス電流が流れている時にも(すなわち振動板を後方に移動させる電流は送られていない時にも)振動板を後方にすばやく移動させる力が必要ということです。

    今回のテーマはその力の実体は何かということです。

    振動板のサスペンションによる機械的復元力、アンプからの逆電流、その他 などいろいろ考えられるのですが、
    同じスピーカーシステムを鳴らしていてもアンプによって音が変わったりボトミングの起こしやすさが違っているのはアンプによる振動板の制御について何か重要な事柄が隠されているのではないかと考えている訳です。

    bymoukutsu at2018-07-29 09:23

  23. moukutsuさん
    戻り不足だった場合のシミュレーションがmoukutsuさんと私で違っていたので念のため確認です。

    6番目の入力が6しか押していないのに振動板が7の位置なることはあるのでしょうか?

    入力 を
    0 3 5 6 4 6 7 4 3 9 0 -6 -2 3 ・・・としたとき
    0 3 5 6 5 6 7 5 4 9 5 -6 -3 3 ・・・の様になり11には行かないと思いました。(moukutsuさんの例にならい戻りにはウエイトをかけ1ターン+/-4縛り、オーバーシュートアンダーシュートなし)

    アンプによるボトミングの起こしやすさの違いはシステムトータルでのオーバーシュートアンダーシュートを考えた方が良いと思います。

    > 振動板の制御について何か重要な事柄が隠されている
    合意します。
    high speed

    byhigh speed at2018-07-29 12:25

  24. high speed さん

    面倒くさい数字の羅列を細かく検討していただきありがとうございます。

    この数字の羅列は、振動板のゼロポジションからの変位量を表しています。

    この例に挙げた波形の形はその頭の部分の数字でみて、
    6まで上がったものが一旦4まで下がって再び7に上がりまた3に落ちるのが正しいのですが、
    もし振動板の戻りが足らない場合は
    6の次に4まで下がらずに5の位置に留まってしまうために、その位置の振動板にさらに+3分の駆動力が加わって8まで行ってしまうと考えたわけです。
    以下4下がるべき所が3しか下がらないので5の位置に留まり、それに+6分の駆動力が加わって11になってしまうという風に考えました。

    これは、振動板の位置がその機械的復元力とアンプからの電流による駆動力との吊り合った所にくるということが前提になっています。

    この前提が正しいかどうかは別としても
    もし復元力が全くないとすると振動板は次にマイナス方向の電流が流れるまでどんどん前に行ってしまうでしょう。

    またhigh speedさんのシミュレーションにおいても振動板の動きは入力された信号に比べると歪んでしまっていますね。
    やはり振動板には適度な復元力が働かないと波形が正しく再現できないということは言えると思います。

    bymoukutsu at2018-07-29 15:26

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