パワーアンプのSN比(残留ノイズ)の統計解析

はじめに

以前のブログで半導体パワーアンプの歪率を縦軸に、価格を横軸に取ると、有意な相関関係がみられることを紹介した。
なぜならパワーアンプにおいて現在でも難しいのは、高域の歪を抑制することなので、まじめにその点を検討しているアンプは結果的に高価になるからだ(と考えている)。グラフを再掲載すると

ピンクが海外製、青丸が国産アンプ、三角がオーディオデザインのアンプです。三角が2つあるのは、一つが20-20KHzのもの、もう一つが1KHzを示しているからである。いずれにしても、オーディオデザインのアンプの歪率が一桁以上小さい事が明らかである。

アンプの性能をあらわすもう一つの指標として、SN比がある。
そこで今度はパワーアンプのSNという視点から考えてみたいと思う。パワーアンプのSN比の表記を調べてみるとプリアンプと違って(プリアンプでは出力1-2Vに対するノイズの比率で表記されていたが)最大出力に対するノイズレベルの比で表すことが多い様である。それでは実際にパワーアンプのSN比を見てみることにしよう。

SN比の定義

SN比の定義そのものは簡単です。信号(S)とノイズ(N)の比を対数で表します。
・ SN比=20LOG(S/N)
SとNの単位はVoltです。対数は底が10になります。例えばSN比80dBで1万倍になる。 Signalの方はほとんどのパワーアンプが最大出力をとっている。ただし計算時の単位は最大出力電圧(V)です。パワーと電圧の換算は次式で行えます。(V)=√(P・R)
Pはパワー(W)、Rは負荷抵抗(Ω)です。 単純にSNだけを見てパワーアンプを比較すると、大出力アンプの方が分母が大きくなるので有利になってしまう。そこでノイズの電圧を計算し、パワーアンプの価格順に並べて見よう。 残留ノイズの計算式は次のようになる。
Vnoise(V)=√(P・R)/10^(SN比/20)
√はP・R全体にかかります。10^は10のべき乗を表します。

残留ノイズの実測値

次に実際にアンプの残留ノイズの結果を見てみよう。マークレビンソンのみ1W時の出力でSNを定義していると記されていたので、P=1Wで計算し、他のアンプは最大出出力に対して計算した。結果は次の通りである。 横軸がパワーアンプの価格、縦軸はパワーアンプの残留ノイズの計算値である。

ピンクの□が内外パワーアンプ分布図、青△が弊社パワーアンプのノイズレベルです。 結果を見てわかるとおり、ノイズレベルに関しては価格とに明確な相関はない(歪率の場合とは異なる)。
ただノイズレベルの分布の範囲が相当に広いことがわかる。ノイズの分布は一般に30-400uVと一桁違うのだ。 弊社のアンプではなんと7uVなので、こうなると下手すると2桁異なってくる。

アンプのSNを議論するのは実はノイズそのものが問題なのではなく、ノイズレベルが回路パターンの引き回しや実装技術の良否を表していると考えているからです。
アンプ回路の理論というのはたくさんありますし、シミュレーションも簡単です。 ところがこの回路パターンの引き回しや実装技術に関しては参考になる確固とした理論が無く、製作者の技量がそのまま出てくる領域なのです。
残留ノイズが100uVを超えたアンプというのは、実際には重大な問題を抱えたアンプといっていい。大電流ラインの引き回し方法が間違っていたり、アース配線に重大な問題があることを示唆している。
残留ノイズというのは入力が無い状態のノイズですから、実際の使用状態ではもっと大きなノイズをもらってしまう(ただ信号レベルが大きいから直接聴こえないだけ)と考えるべきです。
実際100万円クラスの海外製アンプでもこの辺に問題があり、相談を受けたことがあります。何でもプリアンプに接続するとハムが出るそうだ(単体では無音)。これなどは非常にわかりにくいのだが、大電流ラインの配線に問題があるからである。実は弊社のパワーアンプでも、試作段階で同じ現象が発生し、考えられる対策を徹底的に検討して原因を特定しました。
原因は電子回路の技術者にとっても意外なもので、おそらくアンプメーカーの技術者でもこの辺を理解してる方はほとんどいないのではないかと思う。

終わりに

以上パワーアンプの実力についてノイズの観点から考えてみました。

DVD-Audioは死んだか? -その4DVDオーディオソフトを作って見よう-

[!]それなら、いっそのことDVD-Audioソフトを作ってみよう
DVD-Audioソフトにあまりいいのが無いので(探しにくいので)、視点を変えて、音質のよいCDからアップサンプリング処理を行いDVD-Audioソフトを作ってみようと思います。DVD-Audioソフトを自分で焼いてみた方は検索すると結構いらっしゃるみたいです。

CDのフォーマット(44.1KHz)を単にDVD-Auiodのフォーマット(192KHz,24bit)に変換して焼いてみても音質の向上は期待できません。データ変換する際にデータの質が向上するようなアップサンプリングコンバージョンすることが重要です。

[!]オーバーサンプリングとアップサンプリングの違い
一般にCDPで使用されているのはオーバーサンプリングでこれはCDデータの情報量自体はまったく変わらず単にDACでフィルタリングする際に楽になるだけの技術です。アップサンプリングというのは16bitデータからもっともらしい24bitデータを作り出すことで、元の音源を24bit化したデータと完全に同じになる保証は無いのですが、16bitデータよりはましだと思われます。

アップサンプリングの手法としてよく用いられているのが16bitデータをスプライン補間する方法で、「レガートリンク」、「フルエンシー理論」などと呼ばれるものは広義の意味でこの仲間だと思います。

もう一つのアップサンプリング方法は畳み込み積分処理(コンボルーション)を行うもので、パソコンでかなり大規模のデータ変換を行います。具体的には16bitCDデータをFFT変換し、インパルス応答波形のFFTデータを掛けてから、再度逆FFT変換して24bitデータを求めます。16bitデータをインパルス応答で畳み込み積分してやることになります(なぜそれで24bitデータになるかは私も今いち理解できず勉強中)。計算量はスプライン補間などと比較すると天文学的に増えます。

[!]DVD-Audioソフトの作り方
前置きが長くなりましたがDVD-Audioソフトの作り方は次の通りです。

1.CDからwavデータをフリーソフト「CDex」を使用して取り出す
2.取り出したwavデータを音楽再生ソフト「LILITH」の処理リストに指定し、LILITHの外部処理機能を利用して、アップコンバージョンソフト「FUSE」でアップサンプリング処理を起動する。
3.「FUSE」でアップサンプリング処理を行い、CDデータを176.4KHz、24bitデータに変換する。
4.DigiOn DVDAudioでDVD焼付け用イメージファイル*.isoデータを作成する
5.作成した「*.iso」イメージファイルをDVDにDVDDecrypterで焼き付ける。(当然DVDが焼けるDVD-RWをPCが持っている事が必要)

以上は使用するソフト(処理)で5つのPCソフトを駆使する必要があります。さらに3番のFUSEによるアップサンプリング処理は非常に時間がかかります。3分の曲で10分程度(CPU:Celeronの場合)、またデータ変換後のデータ量は約3倍になりCD一つで3GBくらいになります。

[!]実際に作ってみると
CD一枚からDVD-Audioを作成するのに半日はかかります。
ソフト自体は4のDigiOn DVDAudio以外はすべてフリーソフトです。
DigiOn DVDAudio1ヶ月間のお試し期間がありますので、1ヶ月はただで試してみることができます。なのでパソコンとDVDに書き込みができるDVD-R(と若干のPCの技量)があればDVD-Audioは作れます。ただFUSEの変換処理は非常に重たい処理なので、昔のパソコンでは非常に時間がかかりますし、下手をするとハードディスク(HD)のスワッピング処理が続きHDをいためる可能性もある(そうです)。できれば最低でもPetium 以上のCPUと1GB以上のメモリーがあったほうがいいでしょう。ちなみにQuadCoreに4GBのメモリを積んだ最速PCでも3分の曲の処理に2分かかりました。

最初に試すにはLILITHは必要ありません。これはあくまでバッチ処理用に使用しているものです。FUSEが一曲づつしか変換できないので、CDアルバム全部変換するのが大変なのです。
ちなみにFUSEにはディザを加える処理もデフォルトで設定されています。

DigiOn DVDAudioでDVD-Aフォーマットにすると176.4KHz、24bitのデータが192KHz,24bitに変換されます。
こうしてできたDVD-Audioディスクはプロテクトを掛けていないので、DVDプレーヤーからデジタル出力してCDPのDACを利用して聞くことができます。
あるいはFUSEで変換した176.4KHz、24bitのデータをPCのプログラムで再生し、サウンドカードの光出力からCDPのDACに入れることもできます。

DVD-Aフォーマットにして試聴した結果は・・・一言で言うと「微妙」です。

DVD-Audioは死んだか? -その3DVDオーディオソフトを聞いてみると-

前回DVD-Audioソフトの音源の音が悪すぎるといいました。
実際どんなソフトを聞いたかというと、

この3つです。

  
1.マイルスデビス/TUTU、2.ジョージベンソン/ブリージン、3.高橋真理子/バラード

1.のTUTUの音質は悪くありません。ごく普通のJAZZの音質です。先に通常のCDソフトを持っていましたので比較のために購入しました。
後の2つの音質は飛びっきり悪いです。(断っておきますが、曲や演奏が悪いといっているのではなく、あくまで録音音質のみに対するコメントです)。
2.のジョージベンソンのアルバムは音源が相当古いのか8KHz以上と80Hz以下をカットした様な音で高域、低域がありません。帯域が異常に狭く、一度聞くともう聞きたくなくなります。
3.の高橋さんのDVD-Aは録音年が書いてないのですが、とにかく音が全体的にシャリシャリで中低音域がほとんど無い感じです。どうやったらこんなバランスの音になるのか不思議です。極端なイコライジングをミキシングの際にしているのではないでしょうか?

酷いのはDVD-Aの裏面ラベルに録音年が小さく書いてあるのですが、(ジョージベンソンのDVD-Aは76年84年となっています)それにわざわざ日本語のカバーを掛けて陳列されており、買ってビニールをはがすまでは録音年がわからないようにしてあることです。
理解できないのはDVD-Aは音質がいいから(通常のCDより高くても)買おうかと思うのに、どうしてこういうよりによって悪い音質の音源を持ってきて販売するのかということです。

そもそもDVD-Audioの生い立ちというのは、よりよい音質の音楽を提供しようという動機ではなく、CDより儲かる仕組みを作ろうという趣旨にひんまがってしまったのでしょう。メーカーとしてはSACDを開発したソニーに対する対抗馬として意味があるのであって、よりよい音質の方式を提供するという趣旨はどこかに置いてけぼりになってしまったのだとしか思えません。あるいは開発したメーカーには高音質という目的があっったにもかかわらず、実際に音源を入れてソフトとして販売する過程で、ソフトメーカーが価値の無くなった音源でもう一度、儲けられると考えたのかもしれません。DVD-Aに過剰ともいえるプロテクトをかけているのも、CDの様にコピーされなくていいやという安易な考えとしか思えません。

ソフトを買うほうから見れば、CDより高価なのに通常のCD再生より悪い音質の音源をろくな情報も見せずに買わされる訳ですから、普及するわけは無いのです。

まあDVD-Aソフトが無くならない内にもう1、2枚、今度こそ音質のよさそうなものを探して買っておくしかないかなと思っています。

ただどうしても24ビット、96/192KHzというフォーマットはあきらめきれないので(もったいないので)、もう少し路線を変えて、通常のCDのアップサンプリング処理をおこなって、DVD-Audioソフトを自分で作ってみました。つぎにその話はUpしたいと思います。

現行スピーカーシステムの紹介 −マグナットQuantum908−

現在、メインに使用しているのはマグナット社のフラッグシップQuantum908である。このSPのいいところは、非常にまじめに作られているにもかかわらず、有名ではないので(人気が無いので)、結果的にとってもお手ごろ価格で入手できることである。 まずお店に無いので目に留まらないし、あることがわかっても、情報が少ないので怖くて通常は購入できないと思う。ということはリスクをとる反面、ものがよければ結果的に大変お買い得になる。

quantum908-200.jpg

この製品、別に宣伝をするつもりは無いが、実はとっても技術的に魅力的である。また数少ない購入者の声をネットで聞くと、悪くないのである。

同じSPではないがたとえばこれ(マグナットSP使用者の声)、というよりこれしか見つからなかった。

ということで購入したが、やはり一言で言うと非常にいいものでした。

スペック的に解説すると、内部構造はこうなっている。

Quantam908の内部構造 同じユニットを使用しているが下3本が低音用で、上の2本がミッドレンジ、ツイーターはソフトドームでなんと75KHzまで再生するという。

低音と中高音部は内部で仕切られていて、中音部にもバスレフポートらしきものが着いているが、ここはスポンジでダンプされているのでただの空気抜きだと思う。

左右方向にもキャビネット板に傾きがあり、定在波を防止する構造だ。
ウーハーユニット ウーハーはアルミコーンという事だが、アルミというよりは実際にちょっと触った感じが発砲アルミという感じでやわらかめに感じる。写真を見るとフレームもしっかりしているし、放熱効果もよさそうで、耐入力が大きいことを自慢しているだけの事はある。

sp-908freq2.jpgこれはドイツのオーディオ雑誌「stereoplay」で見つけた908のテスト記事に出ていた周波数特性だが(ちゃんと特性を測定トしているところがえらい)、ほぼフラットで非常良くできている。低音もバスレフのピーク周波数は35Hzでほぼ30Hzまではフラットに出ている。無響室でこれだから、実際の部屋ではもっと出るはずである。

このスピーカ床面面積は小さいが、実際には高さもあるので、見た感じ大型SPの様に感じる。 キャビネットもそこそこがっしりできている。
音質はどうかといえばローエンドまでスーと伸びていて、どんなに良くできた小型スピーカでも出せないスケールの大きな音がする。アンプできちんと制動してやれば低音の締まりも申し分ない。高音はB&Wの様などぎつさは無く、ぎらぎら度は普通である。高音域の張り出しも比較的あるほうで、おとなしすぎるという分けでもない、バランス的には中庸な音だと思う。特の目立つ帯域があったり、特徴ある音色がするのではなく、他のオーディオ装置の特徴を素直に出すSPだと思う。

人気が無いので(誰も知らないので)リセールバリューは無いが、自分で使用する分には良いSPである。定価(もしくは多少の値引き)であれば特にお勧めはしないが、超特価であれば買って損はないSPだと思う。

断っておくが、いつも安く売っているわけではなく、モデルチェンジ時の特売品として、日本の取り扱い代理店から新品を購入した。
【仕様】●方式:3ウェイ バスレフタイプ(170mmウーファー×3、170mmミッド×2、25mmトゥイーター) ●許容入力:320W(定格)、560 W(最大) ●周波数特性:18-75KHz●クロスオーバー周波数: 250、3500Hz ●インピーダンス:4-8Ω ●出力音圧レベル:91dB(1W/1m) ●防磁:低磁束漏えい型 ●外形寸法:237W×1330H×400Dmm

DVD-Audioは死んだか? -その2どうしてこうなっちゃったの?-

<何でいまさらDVD-Audio?>
DVDオーディオに興味を持つ理由はそもそもCDフォーマットに不足を感じているからで、音質だけでいうとCDフォーマットはアナログレコードに比べても、明らかに劣ると感じるからです。CDの音はどうしても中高音が硬くかんじられ、中低音の厚みも足りない様に感じます。最近のスピーカーシステムも、以前にくらべてソフトドームツイーターが多くなってきたのも、そのせいではないかと思います。

24ビット、96/192KHzならばかなり改善されるのでは?と思ってDVD-Auidioフォーマットを聞いてみたのですが、その結果の前に、なぜDVD-Aが普及しなかったのかを考えてみたいと思います。

<なぜ廃れたDVD-A>
DVD-Aの製品、ソフトが出始めたのは2003年頃の話で、その頃はまだニュースにもなっていましたが、いまでは製品のニュースすらありません。なぜ普及しなかったかといえば(たぶん)、
・オーディオ評論家にこき下ろされた?
・メディアの流通が無く普及しなかった
・技術的なメリットが理解されにくかった(CDで十分でしょ)
・コスト的なデメリットが大きかった
・安価で良いハード(プレーヤー)がなかった
などの理由が思い浮かびます。

ただ、実際にDVD-A を再生してみて初めてわかったのですが、実情は酷い事になっています。

<DVD-Aを再生してみてわかったこと/これじゃ普及する分けない!>
実際にDVD-Aを再生するのには苦労しました。最初からDVD-Aを再生できて、ハイエンド志向のユニバーサルプレーヤー見たいなものを購入すれば話は簡単ですが、まだいいかどうかわからないものに
投資する気にもなれないし、もうすぐDVD-Aソフトが手に入らなくなる可能性さえあるので、最初はパソコンでDVD-Aを再生しその出力をCDPのデジタル入力に入れればいいかと考え、DVD-A対応のサウンドボードを購入し、かつDVD-Aが再生できるアプリケーションソフトを購入しました。(この2つで2万円、後でこれより安いDVD-Aが再生できるプレーヤーの存在を知りました)

DVD-Audio再生システムはこんな感じ

音は出たのですが48KHzにダウンサンプリングしたデジタル信号しか出ません。これではDVD-Aのメリット半減です(正直ここまでくるのに相当苦労したのに・・・)。

次にDVD-Aが再生できるプレーヤーを購入しました。いろいろ探しましたがパイオニアのDV-600AVというもので、DVD-Aの再生プレーヤーというよりも、基本的にDVDプレーヤーで、ついでにDVD-Aも再生できるという代物です。ただ驚いたのですが、海外製の100万円以上するCDプレーヤーにこのDV-600AVの類似品の基板がそのまま搭載されているそうです。DV-600AVの実売価格はなんと1万円台なんですけど・・・。
見ない方がいいと思いますがどうしても見たい方はこちら>>心臓の弱い方は見ないで下さい

DVD-Aを聴くために購入したDVDプレーヤー/パイオニアDV-600AV

そして、ようやくいくつかDVD-Aソフトを再生してみて、さらにびっくりしたことが2つ、
それは、
・DVD-Aのソフトのもともとの音質がひどい、カセットテープでもこんな音にならないと言うくらいひどいものを売っている。
(え、良く確認しないで買うほうが悪いって?、確認できないようになっているから悔しいのです)

・DVD-Aプレーヤーからデジタル出力する際は、自動的に48KHzにダウンサンプリングされてしまう。(デジタルプレーヤーからはアナログ出力か48KHzのデジタル出力しか取り出せない)
ということです。

また長くなったので、くわしい話は次回ということで。