電源の高周波ノイズについての解析

はじめに
私自身は電源ケーブルや電源タップにやたらと凝る方ではないのですが、少しこの辺の事情を調べてみました。

家庭用のAC電源には現在では様々なノイズが乗っています。デジタル機器が普及したためとスイッチング電源が使用されるようになってきたためです。
高級なAC電源ケーブルにはたいていノイズフィルターも内蔵されていて、この辺が効いていると思われます。
ただ定量的にこの辺を調べた例はあまり見たことがないので、実際に電源に含まれるノイズを観測してみました。

測定方法(の難しさ)

まずここが肝心なところなのですが、AC電源のノイズを測定・観測するのは実際には結構難しいのです。電源関係の製品はたくさんあるのに、AC電源関係の実測データが非常に少ないのは測定が難しいからではないかと思います。
まぜ難しいかというと、AC100Vを直接観測することは(測定器が高級であるほど)実はできないことが多いのです。
テスターで電圧を見ることはできます。またオシロスコープで波形を見ることも一応できます(プローブで1/10に落とせば)。

ただAC100Vの波形を直接見ても高周波ノイズは見えません。
100Vという元の波形があるので1V以下のノイズは隠れてしますためです。
したがって(ノイズを拡大して見るために)基本波の100V50Hzを除去する事が必要です。
ノイズ成分は高周波なので能動的なフィルターは簡単には使用できません

スペアナなどの高精度な測定器は入力がアース基準なので(オシロのフローティング入力と異なります)、AC100Vを例え分圧して10Vに落としたとしても
スペアナに直接入力できません。それとスペアナなどの高周波測定器は入力インピーダンスが50Ωくらいなので、電源ラインの測定には直接使用できないのです(ショートした状態になってしまうので)。ですので高周波まで特性が伸びたバッファアンプが必要になります。

整理すると、測定系は次の3点を満たす必要があります。
・AC100Vを基本的には除去できること
・ACラインとはアイソレーションがと入れていること
・高周波帯域まで伸びたバッファアンプを用意すること

この辺が結構難しく、なかなか測定できなかったのですが、最近やっと波形が取れるようになりました。


測定系の概略
実際にはこれに加えて検出器とスペアナの間にバッファアンプが入っています。

測定した結果

スペアナで見たAC100V電源のノイズスペクトル(0-50MHz)
0-10MHzあたりと20MHzあたりに派手なノイズがはっきり見えています。


オシロで見た電源ラインのノイズ波形
大きな正弦波状のうねりが50Hzの残留分で太くなっているのが高周波ノイズ(縦軸10mV/div)
これでも基本波AV100V50Hzは1万分の1に減衰させてあります

横軸を拡大したのがこちら

高周波が見えてます

10mVオーダーではありますが、電源ラインに混入してきた高周波ノイズが確認できました。

ついで言っておきますが、よくノイズ除去の方法としてアイソレーショントランスを使用している人がいますが、アイソレーション出来るのはDCと低周波成分で、こういったMHz帯のノイズはほとんど通過しますのでこの手のノイズ除去にはほとんど効果が期待できないと思います。

定量的な検出ができましたので、今後高周波ノイズの抑制に関してぼちぼち報告させていただきたいと思います。

この内容は以前にコラムに掲載した内容をブログで紹介したものです。

MFBスピーカーの話

一般にステレオ再生装置の中で一番の弱点といえばスピーカーシステムということになると思います。特に低音域は完全な再生をすることが難しい。部屋の壁の影響で周波数特性が乱れることもありますが、スピーカーから出ている音そのものも不完全な部分があると思います。

例えばヘッドホンの音質と比較するとどうしても制動が不完全に聴こえます。一般にスピーカーの低音域は電磁制動で振動板を止めます(制動します)が、ヘッドホンの場合は音響抵抗による制動がメインで電磁制動よりも大きな制動がかかっているそうです。ヘッドホンの音響抵抗による制動がどこから来るのかというと振動板の前に穴の開いた板が置かれているのと、振動板の後ろのキャビネットに吸音材がびっしり入っているために空気で振動板を動きにくくしているのです。ヘッドホンのインピーダンスが一定なのもこのためです。それならスピーカーも音響抵抗による制動をかければ?と思われるかもしれませんが、そうすると音圧が取れなくなって実用的ではなくなってしまいます。

スピーカーの制動を改善する方法としてMFB(モーショナルフィードバック)という技術があります。実際の振動板の動きを別の検出系(コイル+磁気回路など)で検出し、入力信号との差を電気的に補正する手法です。この手法は原理的に優れた制動が得られるはずですが、スピーカーユニット自体が特殊なものになるのでまずそこが大変です。

探してみると過去の市販品でMFBを使用しているものがありましたので、そのポテンシャルを探って見ることにしました。
その製品とはソニーのSA-S1というものです。位置づけ的にはミニコンポの上級版という感じなのでしょうか。現在では既に市販されていませんが、中古市場から入手しました。
ソニー製MFBスピーカーシステムSA-S1

まずオリジナルの状態で音を聴いてみました。ちなみにこのスピーカーシステムはパワーアンプを内蔵していてRCA入力で音が出ます。結構立派な音がします。18cmのウーハーとは思えません。MFBの効果でしょうか?低音域がとにかくふっくら豊か(やや過剰)です。低音がやや過剰気味なせいか特に制動がいいという感じはしません。高音域はサーと見晴らしの良い音といか透明感ある気持ちいい音です。ただ全体的に音がやや硬めな感じもします。言い忘れましたがこのスピーカーの高音部はなんとコンデンサー型です。
コンデンサー型ツイーター

次に回路図を入手して駆動方法を調べてみました。MFBをかけているのはもちろんですが、その前に結構な低域のブーストをしていました。回路図からシミュレーションした低域のF特がこちらです。80Hz近辺を6dB程持ち上げています。道理で低域が豊なはずです。これだけ持ち上げても歪んだ感じがしないのがMFBの効果かもしれません。
ウーハー用アンプの周波数特性(実線がF特、破線は位相です)

物は試しでこの低域のブーストを外してみました。そうしたらどうなったでしょうか?
結果は全然ダメでした。いいところがなくなりました。低域の量感はなくなりただの小口径SPの音、さらに低域を落としたせいか高域の硬さの様なものも目立つようになりました。このシステムのパワーアンプ部はパワーICという物が使用されていて、アンプ部の音質そのものはあまりよくないのです。オリジナルの状態というのは非常に上手にトーンコントロールをしていてこの部品構成という制約の中では絶妙の味付けだったのです。

パワーアンプ部を通常のパワーアンプで置き換えればかなり良くなる可能性もありますが・・・・。

というわけで今回はMFBの本質を確かめるというところまでは到達できませんでしたが、なかなか面白い(凄い?)製品でした。

オーディオの天才バカボン -賛成の反対なのだ-

昔、漫画・天才バカボンのパパがよく「賛成の反対なのだ~」とかよく言っていたと思う(世代がばれるな)。わかった様でよくわからない言い回しだが、オーディオでもこういった表現があてはまる場合がある気がする。それは「低音(良くするに)は高音を」あるいは逆に「高音(を良くするに)は低音を」と言う現象だ。

安物のAVアンプなんかの音を聞くと、音は刺激的で痩せ、低音がまったく出ていないように聴こえる。でもこれなんかは、低音が出ていないというよりは(もちろん低音の出る出ないの差はアンプにもあるのだが)、それよりも中高音が耳障りで、その分低音が少ない様に感じられるのだと思う。
実際調べてみるとAVアンプの場合、歪が多いというのはもちろんだが、単に高調波歪が出ているというより、入力信号と関係ないデジタル的なノイズが結構乗っていたりするので始末に悪いというか、非常に耳につくのである。

AVアンプに限らず、パワーアンプなんかでもそうで、非常に下手に作ると高域の歪が多く0.数%レベルになって、これは中高音ばかりがうるさくなって、相当な電源を積んでいてもまるで低音が出ていないように聴こえたりした事がある(まあ歪率が0.1%程度でも歪っぽく感じない事もあるので、この辺の実情は複雑だが・・・)。
いずれにしろ、こういう場合は低音が聴感上足りないからといって低音をいくら改善しようとしてもだめで、逆に高音域の質を向上させる事が重要だ。

同じ事がCDP回りにも言えて、DACを良くしていくと低音が出るように聴こえて、今までのCDPの音が如何にに痩せた音かわかるようになってくる。最近DACを作り初めて(といってもDACのチップを作っているわけではもちろんないよ)良くわかるようになった(これって時代遅れ?)。

昔、スピーカーなどは自分で組み合わせるのが一般的だった頃は(スーパー)ツイーターを入れたり、ウーハーを入れたり入れ替えたりすると、高音をいじって低音が良くなった様に聴こえたりする事はよくあった(その逆もしかり)。その様な事は昔はオーディオ雑誌とか各所でいわれていた記憶があるが、今の様にケーブル交換みたいな事しかしない様になると、こういった経験は一般的ではないかもしれない。

それが「唯一すべて」というわけでも「必ず正しい」というわけではないのだが、低音を力強くしたかったら、逆に中高音にも着目した方がいい場合もあるでしょうということで、「低音(を出すに)は高音を」「高音(を良くするに)は低音を」という事でこれがオーディオの天才バカボンという事でした(マル)。

オーディオにおける交互作用の話 -良い物と良い物の組み合わせで悪くなる?-

<長い前置き>
オーディオアンプの他の方の作り方、あるいは弊社アンプにいただくご意見の中でもそうなのですが、???と思う事があります。
よくアンプの設計・製作過程において、試聴で回路や部品を吟味したとか、試聴で作りこんだというような事をい人がいるのですが、本当にそういうことをやっているのか(できるのか)疑問に思うのです。なぜなら、
1.回路を少し変えたぐらいで音質上簡単に判別が付くほど変化があるのか?
2.回路あるいは部品を単純に変更すると、結果として過度応答特性等が変わってくる場合があるが、位相補正などを再調整しているのか?
3.音質に有意差があったとして、試聴システムに依存しないでどちらかの方が良いといえるのか?
という事です。
アンプの音質というのはもちろん貧弱なアンプと立派なアンプを試聴すれば差は歴然ですが、そこそこ出来上がったアンプでごく一部を変更しても、試聴しても簡単には判別付かないくらいのレベルです。大体、試聴比較するときにケーブルを付け替えているようではまったくわからないのではないでしょうか? 弊社はまずアンプの音質比較のために、納得いくセレクターをつくり(売ってもいるが)瞬時比較に使用していますが、この様にするとなおさら差が小さい事を思い知らされるのが常です。
 「それではアンプの音質にそもそもあまり違いが無いということではないのか?」と聞かれれば、やはりそれも違うのです。アンプにはいろいろといじるところがあり、一つ一つは非常に小さい影響でも、それを10個も積み上げれば結果として結構な差になってきます。
もう一つは試聴の結果が信頼できるかという問題です。例えば部品Aよりも部品Bの方が好ましかったとして、再生系のスピーカーを代えれば逆転する可能性もあると思います。例えば、比較的柔らかな音を出しやすいソフトドーム系のSPとカチッとした音が得意なホーン型SPでは好ましいアンプの部品の判定も逆転する可能性があると考えるのが当然です。

もちろん、試聴結果が重要でないといっているわけではなく、最終的に試聴した音質が最良とするためにはどうしたらよいかというアプローチに試聴結果に頼るだけでは不十分だと言いたいのです。

<音質向上のための工学的アプローチ>
前置きが長くなりましたが、もう少し別の切り口でこの問題を取り上げてみましょう。

音質評価は人間の官能評価ですが、統計学的には適当な手法で数値化することもできます。たとえば個人でいくつかの項目で5段階評価をつけて総合点をつけるとか、複数の人に試聴してもらい良いとした人の割合を使用するとかです。

ここであるアンプAとBを試聴してBの方が良かったとします。またあるスピーカー1と2を試聴して2の方が良かったとします。それではアンプBとスピーカー2の組み合わせが最もよいかというと、そうではない場合もあると思います。統計学的にいうとこの現象を交互作用があるといいます。

別の表現をして見ましょう。下の図はアンプとスピーカーの評価結果を表しています。X軸がアンプの種類(図ではアンプの評価点数とした)、Y軸がスピーカーの種類(図ではスピーカーの評価点数とした)です。そしてZ軸(縦軸)が組み合わせた音質の評価結果です。この図では単純にアンプとスピーカの評価点数の足し算で音質評価の総合点数が決まっています。これらの関係を式で表すとこうなります。

音質評価の点数=アンプの点数+スピーカーの点数

総合点がアンプとスピーカーの良さに比例するというごく当たり前の式ですね。

一方次の図はいいアンプといいスピーカーを組み合わせた場合に音質が悪くなる例を示しています。これを統計学では交互作用があるといいます。数式で言うと、

音質評価の点数=アンプの点数+スピーカーの点数+(アンプの点数*スピーカーの点数)
と表されます。
右辺第3項にアンプとスピーカーの交互作用(組み合わせたときの効果)の項が付け足されている点が異なります。

図ではその交互作用の項がマイナスの場合を示しています。グラフで本来なら一番音がいいはずの(いいものといいものを組み合わせた)右上の方が逆に点数が悪くなってしまっています。こういう現象はより一般的な工業製品の評価においてもよくあることで、こういった効果を考慮しながら最適化を計る「実験計画法」なる手法があるくらいで(これだけで1冊の本が書ける)、工学を学んだ人にとっては当たり前の事です。

したがって(できる)エンジニアであれば数値化まではしないまでも常に頭の中にこういう構図をぼんやり描いていて、何がどのくらい効いているかおよその感覚はもっているのが普通です(ほんと?)。

話は戻ってこの部品はいい音がするとか、この材料を使用したら音が良くなった(と判断したから)といって、それをアンプの一般に通用すると単順に考えるのは危険です。
例えて言えば、ある車の走行性能がいいからといってそのサスペンションの部品一つを取り出して他の車に装着したからと言って、その車の性能が上がる訳が無いのと同じです。
音質が良くなった場合は、それは何故か(音質が良くなった様に聞こえるのは何故か)を考え(仮説をたて)、その仮説に基づいてさらに音質が良くなるはずの回路なり部品を選択してアンプを作り、仮説が正しいかどうかを検証するという作業が必要だと思います。そういった地道な技術と努力の積み重ねが出来上がったアンプの音質を左右すると考えています。

例えば弊社のプリアンプやパワーアンプに対して時々、「xx回路は良くない」とか「yy部品の音は良くない」とかいう方がいらっしゃるのですが、その様な次元で作っていないのになーと内心思ってしまいます。

とはいえ、すべての部品、回路の検討を吟味しつくした訳ではなく、とりあえずオーディオ用として良いとされている部品を使用している箇所もありますが・・・。

最後に、お客様からいただく音質に関する感想(デザインなどに対するご意見も含めて)などは非常にありがたく、また参考にさせて頂いておりますので、誤解の無い様にお願いします。