マスクでマイクを作る方法

皆さん、このパンデミックにうんざりしていることは承知していますが、マスクは着用したままにすることをお勧めします。自分のマウスピースが他人の体に入るのを防ぎ、また他人のマウスピースが自分の体に入るのを防ぐという重要な役割があります。これは平常時には便利な機能ですが、これらのマウスピースがCOVID-19ウイルスを運ぶ可能性がある状況では、マスクは必須でしょう。それに、マスクは見た目もクールです。でも、マスクでできることがもう一つあります。マイクを作ることができるのです。

マイクはどのように機能するのでしょうか?

マイクにはさまざまな種類がありますが、その機能はすべてほぼ同じで、音響の音を増幅、変更、録音できる電子信号に変換します。

マイクに向かって話すと、喉の声帯が前後に振動します。これにより空気が押し出され、圧縮されます。圧縮された空気の一部が他の空気の部分を押し出すため、口から外側に向かって圧力の高い部分が生まれます。すると、ドカン！と音が鳴ったのです。

マイクの主な目的は、空気中の変化する圧力波を検知し、それを変化する電圧に変換することです。電圧の変化が得られたら、それを使って電流を発生させ、配線に流すことができます。その後、この電気信号を増幅したり、録音したり、分析したり、例えばクールなオートチューンサウンドを作成したりすることができます。

しかし、空気の振動を電圧に変換するには、具体的にどうすればいいのでしょうか？実は方法は複数ありますが、ここではコンデンサーマイクとエレクトレットマイクという2種類のマイクについて解説したいと思います。

物理学では「コンデンサー」という言葉は実際には使わず、代わりに「キャパシタ」と呼ぶでしょう。想像できる最も単純なコンデンサは、2枚の平行な金属板がわずかな距離（この距離をsとしましょう）を置いて配置されているだけです。

一方のプレートを電池のプラス端子に、もう一方のプレートをマイナス端子に接続すると、コンデンサが形成されます。つまり、片側には正電荷（+ Q）が、もう片側には等しい負電荷（- Q ）が蓄積されます。この2つのプレートは、その間の空間にほぼ一定の電界（E ）を発生させます。

この平行板コンデンサを9ボルトの電池に接続したとします。ボルトは電位差の単位です。簡単に言うと、これは電荷あたりの電位エネルギー、つまり電荷がその電位を移動することでどれだけのエネルギーを得るかを表す単位です。つまり、この9ボルトの電池は、極板間の電位に9ボルトの変化を生み出します。

しかし、もし片方のプレートを押して、プレート間の距離をほんの少し縮めたらどうなるでしょうか？コンデンサは9ボルトの電池に接続されているため、電位は依然として9ボルトである必要があります。しかし、電界が同じであれば、距離が短くなれば電位は低下します。間隔の減少を補う唯一の方法は、プレートの電荷を増やすことです。この余分な電荷は電池から供給され、電流のように見えます。一方、プレート間の距離を広げると、コンデンサから電荷が放出され、電流が発生します。

つまり、プレートを前後に動かすことで、変化する電流が発生します。これがコンデンサーマイクの基本的な仕組みです。音を発音すると、空気中に振動が生じます。この振動がコンデンサーマイクのプレートの1つを押し、変化する電流を発生させます。この電流を記録して保存し、アンプとスピーカーに送ることで、より大きな音を出すことができます。

コンデンサーマイクの利点は、コンデンサープレートの1つが非常に薄く柔軟であることです。つまり、高周波の音に反応して非常に素早く動くことができるため、多くの高級マイクがこのタイプであることは驚くには当たらないかもしれません。もちろん、小さな欠点として、これらのマイクには電圧を印加する必要があるため、電源が必要になります。これはマイクに内蔵された小型バッテリーから供給される場合もあれば、オーディオレシーバー/アンプから供給される場合の方が一般的です。

さて、少し変わった種類のマイクを見てみましょう。エレクトレットマイク、通称エレクトレットコンデンサーマイクです。エレクトレットとは一体何でしょう？名前から、何か馴染みのあるものを思い浮かべるでしょう。磁石です。電流で磁場を作ることは可能ですが（ワイリー・コヨーテが実演した電磁石のように）、ほとんどの人は永久磁石のようなものを思い浮かべるでしょう。これらは磁区と呼ばれる磁場を作る小さな領域を持つ材料で作られています。これらの磁区が同じ方向に並ぶと、N極とS極を持つ磁石になります。

エレクトレットは、磁場を作り出すための恒久的なN極とS極を持つ代わりに、正と負の電荷を使って電場を作り出します。これは、靴下が乾燥機から取り出した時に静電気を帯びて物にくっつくようなものです（まあ、靴下自体は帯電したままではありませんが、エレクトレットは帯電したままです）。靴下は余分な電子によって負に帯電している場合もあれば、電子が不足しているために正に帯電している場合もありますが、エレクトレットは実際には中性である可能性があります。物体に正と負の電荷が同数ある場合でも、「電荷分離」があれば電場を作り出すことができます。片側がわずかに正で、もう片側が負の電荷を持つ分子を想像してみてください。それは依然として中性ですが、電場を作り出します。

エレクトレットを作る方法の一つは、プラスチックなどの電気絶縁材料を電界中で加熱することです。プラスチック材料が温まると、分子は室温の固体よりも自由に動き回れるようになります。これにより、正電荷は電界の方向に移動し、負電荷は反対方向に移動し、電荷分離が生じます。その後、材料が冷えると、これらの電荷は実質的に所定の位置に「固定」されます。これでエレクトレットが完成します。

エレクトレット マイクの仕組みがわかるように、大まかな図を描いてみます。

注：これはマイクの実際の構成ではありませんが、仕組みを理解していただくために説明します。ここでは、中央にエレクトレットを備えた2枚の金属板があります。音波が、例えば上の図の左側から入ってくると、可動板を押します。これにより、エレクトレットから金属板までの距離が変化し、電界が変化します。この電界の変化によって、金属板から電荷が流れ出たり、金属板に流れ込んだりして、電流が発生します。

これは確かに普通のコンデンサーマイクと非常によく似ています。大きな違いは、エレクトレットマイクは電圧をかける必要がないことです。コンデンサーのように2枚の電極に電荷が蓄えられているのに対し、エレクトレットマイクは常に電荷を蓄えています。そのため、充電用のバッテリーは必要ありません。つまり、これらのマイクは非常に小型で、スマートフォンやBluetoothイヤホンに搭載できるほど小型化できるということです。どちらも一般的な用途です。

フェイスマスクマイク

エレクトレットを使ったものは他にもよく見かけます。N95フェイスマスクには、マスク内にエレクトレット繊維が使われています。この繊維に小さな液滴が近づくと、引力によって繊維の間に液滴が閉じ込められます。これにより、着用者はCOVID-19ウイルスやその他の細菌などの有害物質の吸入から守られます。

おそらく、この話がどうなるかお分かりでしょう。エレクトレット素材を使ってマイクを作れるなら、N95マスクにもエレクトレット繊維が使われているので、マスクを使ってマイクを作ることができます。私がやったのはこれです。

まず、フェイスマスク（青い紙製のもの）と、大きさの異なる古い缶2つを用意しました。小さい方の缶は固定用の金属として、大きい方の缶はアルミホイルで覆って可動式のプレートとして使います。フェイスマスクはその間に挟みます。2つの缶の間に発泡スチロールを詰めて分離し、出力線を2つの缶に接続しました。これで完成です。

マイクをオーディオレコーダーに接続する代わりに、オシロスコープに接続しました。ご安心ください。これらのオシロスコープは複雑に見えますが、実際には電圧を測定するだけです。オシロスコープの画面には、電圧が時間の関数として表示され、見やすいグラフが作成されます。この電圧は、録音できる実際のオーディオ信号に比例します。出力を聴くだけでなく、目で確認できるのは便利ですね。

それから、音を出すためにリコーダーを使いました。小学校の音楽の授業で使ったフルートみたいなやつです。音を鳴らすと、次のような出力が得られます。

画面に「くねくね」とした線があるのに気づきましたか？あれはレコーダーの音によって箔が動くことで電圧が変化することを表しています。ちゃんと動いているんです！

まあ、正直に言うと、これはあまり良いマイクではありません。でも、ちゃんとしたマイクです。オーディオアンプを追加すれば、オンライン会議の録音などにも使えると思います。

ということは、ほとんど何でもマイクを作れるということですか？はい、基本的にはその通りです。音によって動き、電圧や電流を変化させるものがあれば、マイクになります。実際、コードレスドリルからマイクを作ることさえできます。可能性は無限大です。まるで今回のパンデミックのように。