40万積の法則から考えた帯域バランス調整方法

以前にスピーカーの40万の法則について  -気ーづいちゃったよ-というコラムを書きました。要約すると「40万積の法則というのは高音と低音の音量バランスが調度良くなることを表しているのではないか」ということでした。

400k_1数学的に表現すると再生帯域が40万積になる時にはスピーカーの再生中心周波数と可聴帯域の中心周波数が一致しているので、高音と低音のバランスが良く聴こえるとも言えます。

 

数学的には2乗根で表される相乗平均(幾何平均)が再生帯域と可聴帯域で一致している時ともいえます。

 

実際のスピーカーシステムでは20kHz400k_2はいいとしても20Hzまで再生できることはほとんど無く、せいぜい30-50Hzまでが限界です。そうなると、一般に低域の量感が不足しがちになります。

 

 

これを補正する方法として二つの方法を考えました。

(1)低域再生限界付近を持ち上げる

20-50Hzが不足しているので、その代わりにすぐ上の50Hzから100Hzくらいまでを持ち上げて、低音域と高音域の量感が同じになるように調整します。結果的にはトーンコントロールで低音域を持ち上げるというのと同じです。

また40年くらい前に流行った3D方式で(といっても今のTVの3Dとは異なります)、100Hz以下の低域に1本のウーハーを加えて持ち上げてあげると、やけにいい音になったことを覚えています。100Hz以下だけを持ち上げると他の帯域には影響せず不足した部分を擬似的に補うので具合が良かったのです。解釈を変えるとこういった帯域バランスの補正効果もあったのではないかと思います。

*3D方式は高価で大きくなる超低域を大型ウーハー一本で行うという方式ですが、モノであるため100Hz以上を急激にカットします(-18dB/oct以上)。単なるトーンコントロールの低音ブーストとはスロープが異なります。

400k_4

 

(2)中心周波数以下の音量を上げる

もう一つはもっと単純に低域全体を持ち上げる(あるいは高域全体を下げる)ことです。トーンコントロールで調整しても同じ様なものですが、一般にトーンコントロールは最高域、最低域付近のみを調節するのに対して、中心周波数以上、以下で音量を調節するところが異なります。

400k_3

実際には(2)の方が回路的には簡単なので、(2)を実現する帯域バランス調整回路を考えました。630Hzを中心に高域、低域を+-1dB又は+-2dB調節する回路です。CR型でこの回路を構成すれば音質劣化もほとんどありません。

この回路は新型のフルバランス・プリアンプDCP-240 実装しましたが、結果は非常にgoodでした。

アナログレコード用フォノイコライザアンプの深い話 (2) MMカートリッジ編

はじめに

フォノイコライザアンプの続き、今回はMMカートリッジ用フォノイコの話をします。
とはいっても普通のフォノイコライザアンプ自体の話はどこにでもあるので、(大胆にも)省略して、ここではフォノイコの入力インピーダンスの話に特化して話を進めます。

最近はフォノイコライザアンプ自体に新しい改良が無いためか、フォノイコライザアンプにやたらに付加機能を付けた物が増えているように感じます。MMカートリッジを受けるインピーダンスは昔から47kΩと決まっているのですが、最近何故かこの抵抗値と負荷容量を大幅に変える機能を付けたEQアンプが増えてきて、しかもそれが良いみたいな風潮があるのが気になっていました。

MM用フォノイコの入力インピーダンスとは

そもそも何故47kΩになったかというのは、おそらく真空管アンプ時代に実用的に受けられる最低インピーダンスだったのではないかと推測しますが、特に明確な意味は知りません。ただMMカートリッジ自体が47kΩで受けることを前提として設計されているはずなので、47kΩで受けなければいけないはずなのです。もちろん抵抗を変えれば音(周波数特性)は変わるでしょうが、それは本来のカートリッジの特性ではないのでは?というふうに思っていました。

あらためて負荷インピーダンスの変化に対する周波数特性を探してみたら、手持ちの本に結構詳しい記載がありました。それは「プレーヤーシステムとその活きた使い方」(誠文堂新光社)です。プレーヤーシステムと言ってもCDではなくてレコードプレーヤーです(つまりそのくらい古い時代、40年前の本です)。

V-15Ⅲの入力抵抗・容量依存性の実測値

その本に記載されている、シュアーV-15Ⅲの入力インピーダンスを変えて測定した周波数特性がこれです。

MMV15確かに入力抵抗を下げた方が高域のピークが下がっています。また入力容量も大きくしたほうが高域のピークが抑えられています。MMカートリッジはコイルの巻き数が多いのでインダクタンスが半端ないのです。このV-15ではインダクタンスが434mHとあります。他のカートリッジも同様ですが、このインダクタンスは電子回路のインダクタンスとしては非常に大きく、よく高周波用にもちいるコイルでは数十uHていど(1/10000)、スピーカーのネットワークのコイルでも数mHですから、その100倍位あることになります。これでは電子回路のピークもできるし、MM特有の音の癖が出てもしかたないかなと思います。

測定系はこちら

ただMM_rev気になるのはその信ぴょう性で、測定系はB&K社のもっとも信頼性の高い測定系で計測しているのですが、すべてのMMカートリッジで同様のピークが出ているので、測定系のアンプかレコードにそもそもピークが出る要因もあるのでは?とちょっと疑ってしまいます。
測定系の説明はこちらです。このページにはその入力抵抗と入力容量を変えた時の周波数特性の一般的な変化も記載されています。

この本の内容はすごくてトーンアームを変えた時の周波数特性の変化もいろいろなアームに対して実測しています。なんとトーンアームによって5-10Hz当たりにできる共振の周波数特性を測定しているのです。この本をパラパラめくると、改めて当時のオーディオが極めて工学的で、男の子(今ではおじさん)がハマるのも無理はないな~と感慨にふけってしまいました。

昨今の特に高価なフォノイコが入力抵抗や容量をやたらに変えるのも、確かにF特がよくなる場合もあるし、それで音が変わって本人がよく思えればいいので、商品としてはそれで良いのかなーと考えなおしたりしています(宣伝に書ける能書きも増えるしね)。

p.s. タイトルに深い話と銘打っている割には、たいして深くなかったかな(めんご)。

アナログレコード用フォノイコライザアンプの深い話 (1)イントロ編

はじめに

アナログレコード用のフォノイコライザアンプは回路的にも難しい面があります。フォノイコライザアンプは昔から趣味で作っていたこともあったので大体の事は知っていたつもりでした。ただ最近製品としてフォノイコを販売するをするようになって、いろいろと調べた結果、大事なことに初めて気がついた点もいくつかあります。

レコードを聴く分にはこういったことは知らなくても良いのですが、機器選択や音質向上を考える上で知っておいた方が良い点もありますので解説したいと思います。

フォノイコライザアンプの役割

フォノイコライザアンプの役割は

  • カートリッジの微弱な信号を増幅する
  • RIAA特性で周波数補正をする

の2点です。これらの基本的な事は省略します(他にもいろいろ解説サイトがあるとおもいますので)。

フォノイコライザアンプの配線について(念のため)

専門的な話に入る前に信号経路の話をさせていただきます。カートリッジの出力は一般にRCA端子(+アース)で受けますが、その信号伝達方法は一般のプリアンプ、パワーアンプと大きく異なっています。カートリッジ出力ではRCAピン端子の外側がアースから浮いているのです。

ですので、レコードプレーヤからアンプのフォの入力端子まではフォノイコ専用のケーブルを使用します。シールド線の中に2本線が入っているいわゆる2芯シールド線が使われているのが普通です。

普通のラインケーブルに加えてアース線を接続しても音は出ますが、そうすると信号線のシールドができていないのでハムが出てしまいます。

見方を変えると、カートリッジからの出力はバランス出力が出ているということです(端子はアンバランスですが)。レコードプレーヤー上ではトーンアームがシールド皮膜の役目をしています。

フォノイコケーブルの接続

カートリッジ出力はRCA外側はアースされていない

フォノイコライザアンプの入力インピーダンスについて

フォノイコライザアンプはカートリッジがMMかMCかによって入力インピーダンスを変えなくてはいけません。

 
入力抵抗 入力容量(ケーブル容量も含む) ノイズ成分 備考
MMカートリッジ 47kΩ 100-200pFが最適
(カートリッジによって異なる)
 ハムが多い
MCカートリッジ 10Ω-100Ω  気にしなくて良い サーノイズが多い
(実際にはハムも)

まとめると、こうなるのですが詳細はまた次のコラムで説明します。

アナログ回路のポケットガイドという範疇を超えている -これはもう名作では-

テキサス・インスツルメンツ社(TI)で出したアナログ回路のポケットガイドがすごく良く出来ています。ポケットガイドといっても100ページあるのでちょっとした教科書と言った感じです。

アナログ回路はもちろん、デジタルの補数まで、自分の頭のなかでちょっとあやふやなことまで非常に解りやすく要所々々が解説されています。また、日本語訳もしっかりしています。

TIはデバイスに魅力的なものを数々出していることはもちろんですが、そのデータシートが解りやすく、推奨基板レイアウトも掲載されていて、使用する者にとってありがたい会社です。

この点は逆に日本のデバイスメーカーのものは、デバイスが魅力的でもデータシートが意味不明で、クイズの様になっている事が多いのと対照的です。

是非一度、このポケットガイドをのぞいてみてください。

Analog Engineer's Pocket Reference e-book

こちらからダウンロードできます。

目次は次のとおりです。

目次
Texas Instruments Analog Engineer’s Pocket Reference 5
換算 ....................................... 7
物理定数 .............................................8
よく使われる10 進接頭辞 ......................................9
メートル法の換算 ..........................................9
温度の換算 ........................................... 10
誤差の換算(ppmとパーセント) .................................. 10
ディスクリート部品 ................................. 11
抵抗のカラー・コード ....................................... 12
抵抗値の標準数 ......................................... 13
実際のコンデンサのモデルと特性値 ................................. 14
実際のコンデンサの周波数特性 .................................. 15
コンデンサの種類の概要 ..................................... 16
容量値の標準数 ......................................... 17
コンデンサのマーク表示と許容誤差 ................................. 17
ダイオードとLED ........................................ 18
アナログ ...................................... 19
コンデンサの式(直列、並列、電荷、エネルギー) .......................... 20
インダクタの式(直列、並列、エネルギー) .............................. 21
コンデンサの充電と放電 ...................................... 23
RMS 電圧と平均電圧の定義 .................................... 24
RMS 電圧と平均電圧の例 ..................................... 24
対数計算の公式.......................................... 27
デシベル(dB)の定義 ....................................... 28
対数目盛 ............................................ 29
ポールとゼロの定義と例 ...................................... 30
時間遅れと位相遅れ ........................................ 34
アンプ ....................................... 35
オペアンプの基本構成 ...................................... 36
オペアンプの帯域幅 ....................................... 41
フルパワー帯域幅 ........................................ 42
小信号ステップ応答 ........................................ 43
ノイズの式 ........................................... 44
位相余裕 ............................................ 48
開ループSPICE 解析による安定性評価 ............................... 50
計装アンプのフィルタ ....................................... 53
プリント基板(PCB)と配線 .............................. 55
PCB の導体間隔 ......................................... 56
PCB の内層パターンの自己発熱 .................................. 57
PCB パターンの抵抗(1oz および2oz Cu) ............................. 58
パッケージの種類と寸法 ...................................... 60
PCB の平行平板パターンの容量 .................................. 61
PCB のマイクロストリップの容量とインダクタンス ........................... 62
PCB の隣接する銅箔の容量 .................................... 63
PCB のビアの容量とインダクタンス ................................. 64
一般的な同軸ケーブルの仕様 ................................... 65
同軸ケーブルの式 ........................................ 66
各種配線の単位長さあたりの抵抗(AWG 別) ............................. 67
各種配線の最大電流(AWG 別) .................................. 68
センサ ...................................... 69
温度センサの概要 ........................................ 70
サーミスタ ............................................ 71
測温抵抗体(RTD) ........................................ 72
ダイオードの温度特性 ....................................... 74
熱電対(J とK) ......................................... 76
A/D 変換 ..................................... 81
2 進/16 進変換 ......................................... 83
A/D 変換とD/A 変換の変換特性(LSB、データ・フォーマット、FSR) .................. 84
量子化誤差 ........................................... 90
信号対ノイズ比(SNR) ...................................... 91
全高調波歪み(THD) ....................................... 92
信号対ノイズ比+歪み(SINAD) .................................. 94
有効ビット数(ENOB) ....................................... 94
ノイズフリー分解能と有効分解能 .................................. 95
セトリング時間と変換精度 ..................................... 96

昔のハムはブーーン、今はxx  -黄金バットは頭痛持ち-

オーディオアンプを作っている時に信号線に指で触れてスピーカーから「ブーン」という音が出た経験は、自作する人なら誰にでもあると思います。

img023_100Hz

アンプの信号線に触った時の波形はこんな感じです。50Hzのハム音が出ています。

それはいいとして何か気づきませんか?

そうです、線が妙に太い、ゲジゲジしている。

これを時間軸方向にぐっと拡大したのが次の図です。

 

img023_RF

こちらの波形は横軸(時間軸)が50uS/divなので、数十kHzの成分が発生していることが分かります(50Hzの成分は横軸を200倍に拡大しているので見えなくなっています)。

この波形は最近買った印刷機能付きのデジタルオシロ、DL1540で観ています。このオシロはFFT機能も付いているので便利です。

 

 

img024_fft

上が波形で、下がそのFFTスペクトルです。FFTの横軸のスケールは25kHz/divです。33kHzあたりと80kHzあたりにピークがあります。それとこのグラフでは見えませんが80MHz近辺のノイズが乗っていることもあります。

数十kHzのノイズはスイッチング電源やインバータ機器のノイズではないかと思います。

記憶が定かではないのですが、大昔(数十年前)はオシロでハムを見てもこういった高周波はほとんど乗っていなかったと思います(多分)。

最近は高周波の成分が日に日に増しているように感じます。デジタル機器が多くなっているので当然だとは思いますが、もし”黄金バット”がいたら(彼は超音波も聴こえるそうなので)、どこに行っても日々超音波ノイズに悩まされてることでしょう。