長岡鉄男のわけのわかるオーディオ

オーディオ製品はは電気回路と音響工学に基づいて作られているが、そういった理論だけでは、判断できないのもオーディオである。
だからと言って、理論はどうでもいいとはならないと思う。
一応、理論だけは正しく基本をとらえておくべきだと思う。
自分の勝手な印象だけで判断したり、理屈にもならない理屈をまくしたてていたら、それはあたかも一種の新興宗教みたいになってしまうだけである。

スピーカーにはW数が書いてあるが、この数字を見て、Aのスピーカーは20Wだが、Bのスピーカーは50Wだから、こちらの方が大きな音が出ると、ある人が言っていた。
もちろん、誤った理解である。
しかし、そういった人が何か権威のある人やリーダー的存在であった場合、聞いた人はそれを信じてしまうことがある。
まさに、言った人が教祖のようでもある。

「人は信じたいことを信じる」と言ったひとがいるが、まさにそう感じることも少なくない今日である。
一度言い出したら絶対に訂正しないと言うような人もいる。
訂正することは恥だと思っているのだろうか?

オーディオの新興宗教に巻き込まれないためにも、正しい知識を身につけたいと思う人は、今は亡き長岡鉄男さんの長岡鉄男のわけのわかるオーディオを推薦したい。

長岡さんは、高価なオーディオ機器を並べて、雑誌に営業マンのような記事を書く人ではない。
金持ちだけの趣味ですよと言った雰囲気を作った人でもない。
そういう意味からも、一度は読んでおいて損はしない本だと思うのである。

ダンピングファクターの理解

オーディオのアンプのパワーは、どの程度必要かという話題で、アンプの違いというのは、色づけ(アンプの音色)とパワー(出力)の違いだけだという人がいた。
しかし、それはあまりにも大雑把なとらえ方だと思う。

アンプのスペックには、ダンピングファクターという数値が書いてあったりなかったりするが、これを無視することはできない。
電気回路の基礎知識があれば、容易に理解できることだと思うが、一応、簡単に説明してみたいと思う。

左の図は、電源に抵抗が２つ直列に接続されている回路である。
こういう場合、電圧Vは抵抗R1、R2に分かれる。つまり

V=V1+V2

となる。
そして、その電圧の分かれ方は、R1とR2の抵抗の比になる。
具体例を挙げれば、V=10v、R1、R2がそれぞれ5Ωであれば、V1、V2もそれぞれ5vずつになる。すなわち、R1とR2が同値ならば、R1:R2=1:1であるから、どちらの抵抗にも同じ電圧がかかることになる。
R1=2Ω、R2=8Ωの場合はR1には2v、R2には8vになる。

この図を次のように書き換えても同じである。
点線の枠内は、それぞれアンプ側、スピーカー側を表す。
この時、ダンピングファクターDFは次の式で表される。

DF=R2/R1

この式は、スピーカーのインピーダンスに比べて、アンプのインピーダンスが小さいほど、ダンピングファクターDFが大きいことを表している。
そして、ダンピングファクターが大きいということは、スピーカー側により大きな電圧が配分されるということを示している。

具体的には、スピーカーのインピーダンスが8Ω、アンプのインピーダンスが0.4Ωとすれば、

DF=8/0.4=20

ということになる。
R1:R2=1:20であり、アンプから発生した電圧も1:20の割合でかかることになる。
これは非常に大きな割合でスピーカーに電圧が分配されることを表している。
もし、R1=0Ωならば、すべての電圧がスピーカーに分配されることになるが、これは理想である。
しかし、スピーカーのインピーダンスに比べ、アンプのインピーダンスが小さいほど、スピーカーには発生する電圧が限りなく100%分配されることになる。

ところで、スピーカーのインピーダンスは8Ωと記載されているものが多いが、これは低音から高音まで(20Hz〜20KHzまで)8Ω一定ではない。

下の図は、あるフルレンジスピーカーの周波数特性と、インピーダンス特性を表したものである。

このように、スピーカーのインピーダンスは周波数によって変化しているので、アンプは非常に複雑に変化するスピーカーをドライブするのが実態で、8Ωに対処するだけでは、アンプのドライブ能力としては不十分である。

結論として、スピーカーのインピーダンスがどのように変化しても、スピーカーに送り込む電圧が変動しないアンプが理想のアンプである。

出力100Wと記されていても、パワーを感じないのは、めまぐるしく変化するスピーカーのインピーダンスの変化に追従できないからである。
アンプのスペックに記されているパワーは、あくまでも、8Ωとか4Ωとか一定の条件のもとでの値なのである。
それも、非常に速い速度で変化するインピーダンスに対しては、スペックの値のようにはいかない場合がある。

理想のアンプでは、スピーカーのインピーダンスの変動に対して、安定してスピーカーに電圧を配分することができる。
その場合、スピーカーにかかる電圧をV(v)とすると、アンプから出力されるパワーPと、スピーカーのインピーダンスの関係は、次のようなグラフ(赤線)で表される。
つまり、アンプのパワーPとスピーカーのインピーダンスは反比例の関係にある。Vは一定であるのでVの二乗も一定(定数)となる。

しかし、理想通りVが一定にならないと、すなわち低下してしまうと、緑の線のようにパワーは低下してしまう。
パワーは大きいのに低音が出ないという理由に、Vが低下してしまう、つまりアンプがインピーダンスの変化に追従できないという原因がある。

だから、アンプの違いはパワーの違いだけではないのである。
ダンピングファクターの小さいアンプは、ドライブ能力が低いと言える。

真空管アンプの出力インピーダンスが0.5Ω程度なので、スピーカーのインピーダンスが8Ωの場合、8/0.5＝16がダンピングファクターになります。トランジスタ(半導体)は一般に出力インピーダンスが0.01Ω以下で8/0.01＝800でダンピングファクターが大きいです。

アンプの違いは、他の要素もありますが、今回はそのうちの一つ、ダンピングファクターについて説明しました。
アンプの違いが、音色とパワーの大きさと考えていると、大きな間違いを起こすとだけ確認しておきたいと思います。

ケーブルで音が良くなるか？

オーディオ用ケーブルと称して様々なものが売られています。
これらは非常に高価で、ケーブルに懲りすぎると、アンプなどの価格を上回ってしまうこともあります。

スピーカーのケーブルで100万円を超すものもありました。
果てして、これらのケーブルを使うことで音質の改善ははかられるのでしょうか？

音が良くなるかどうかはわからない

音が良いというのは個人の趣向が入っていますので、良いかどうかを問われると、自分は良いと思っても他人はどう感じるかわからないので何とも言えません。

私の場合、JBLの有名な4343というスピーカーの音は好きではありません。B&Wも好きではありません。
でもこれらのスピーカーを絶賛する人たちもいます。
誤解されないように、あえてつけ加えますが、私はこれらのスピーカーを良くないと言っているわけではありません。

ケーブルを換えれば音は変わる

音が良くなるかどうかはわからないが、音質が変わることは確かだと思います。

それは、図に示すように、どんなケーブルであっても直流抵抗(R)、インダクタンス(L)、キャパシタンス(C)を含みます。

これらは回路図では書かれませんが、現実のケーブルは理想のケーブル(R、L、Cが皆無のケーブル)ではないので、実際にケーブルを流れる音声信号は、そのケーブルが持つR、L、Cの影響をうけるわけです。

ケーブルの種類によりR、L、Cのバランスは異なるので、音質が変化するのは当たり前なのです。
つまり、周波数特性や位相が変化するのです。

同じケーブルであっても、長さが違ったり、引き回し方が違えば音質に影響を与えるでしょう。

ケーブルは抵抗が小さければ良いようにも思えます。
確かに電気エネルギーの損失は少なくなるでしょうが、好みの音質になるかどうかはわかりません。

ケーブルを換えたら高音が出て、音がきつくなったという場合もあります。

高価なケーブルを買う場合は、貸し出しをしてくれるような店がいいかも知れません。
実際に自分が使用している装置で試してみることが良いと言えます。

ケーブルは短いほど良い

ケーブルはそれ自身、抵抗、インダクタンス、キャパシタンスを含んでおり、長いほどその影響は大きくなると述べた。

このことから、ケーブルは短いほど音声信号の劣化は少ないということになる。
もちろん、ケーブルの断面積が大きくなれば逆に有利になるので、同じ太さ(同じ断面積)においての比較の話である。
また、＋−２本の線が接近しているほど、キャパシタンスが大きくなるので、ケーブルは＋−の線が離れていた方が良くなる。

こういった、同条件のケーブルにおいては短い方が良いということである。

しかし、短くするとスピーカーと他の機器が接近して、振動がプレーヤー、アンプなどに伝わりやすいという欠点が出てくる。
だから、ケーブルを短くした場合は振動対策が必要になってくる。

オーディオのアクセサリーで振動対策の製品がたくさん発売されているが、これらをうまく利用することも改善の方法であるが、機器を収納するラックや機器本体も振動しにくくすることが大切である。

良い機器はそれ自体振動に強いものである。
例えば、ノッティンガムのアナログプレーヤ
は、見た目は平凡だが振動対策が抜群で、スピーカーのすぐ近くで使っても振動が伝わらなかった。
また、アナログプレーヤーの欠点はレコードの中心に近づくほど音質が劣化するのだが、このプレーヤーはそれほど劣化しなかった。

ケーブルの影響

オーディオ誌にはずいぶん高価なケーブルが紹介されている。
そのどのようなケーブルであれ、自身に含まれる抵抗、インダクタンス、キャパシタンスの影響を受ける。

左のようにケーブルを束ねると、それだけでコイルを形成することになる。このように丸めなくても、ケーブルを長く引き回すとそれはコイルの影響(インダクタンス)が増加する。
それは高い周波数ほど影響が大きい。




また、ケーブルはその構造上、コンデンサを形成している。
ケーブル内の２本の導線の距離が短いほど、引き回す長さが長いほど、キャパシタンスは増加するから、容量の大きなコンデンサで結んでいるのと同じことになる。

導線には少なからず抵抗分も含まれるので、結局、ケーブルは電子回路で表すと、下図のようになる。



ケーブルが長くなるほど、音声信号が減衰するだけでなく、高域はより減衰することになる。

結局、アンプとスピーカーは下図のような回路で接続されていることになる。
どんなに高価なケーブルを用いても、長いケーブルを使えばもとの音声信号は劣化し、位相ズレも大きくなるので、安いケーブルでも短いものに劣るということも考えられる。

抵抗、コイル、コンデンサ

オーディオを理解するには、実際に耳で聞いた聴感も大切であるが、理論的な裏づけも音を改善するなどの知識になる。

オーディオを構成する電子回路には、抵抗器、コイル、コンデンサが多用されている。
まずは、これらの部品の基本的な性質を理解しておくことが大切である。
(なおコンデンサは「コンデンサー」と伸ばさない記述が多いので、以後「コンデンサ」と記述する)

理解を複雑にしているのは、音を電気に変換した信号が交流(的)波形であることである。
交流に対する働きは、抵抗(器)では下図のようになる。


電圧と同相(位相のずれがなく)で電流が流れる。

コイルにおいては交流に対して下図のようになる。



電流は電圧より90°遅れて流れる。
コイルは交流に対する抵抗=リアクタンスという値が交流に対して影響する。コイルの場合リアクタンスはコイルの巻数によるインダクタンスの影響を受けその単位はHで「ヘンリー」と読む。コイルの巻数が多くなるとリアクタンスは増加する。

簡単に言えば、コイルは交流に対して抵抗を示し、交流を流れにくくする。直流に対しては抵抗を示さない。

コンデンサは交流に対して下図のように振る舞う。



コンデンサを通すと交流電流は90°位相が進む。交流に対する抵抗=リアクタンスはコンデンサの容量キャパシタンスの影響を受け、単位F(ファラッド)により変化する。
容量が大きくなるほど(キャパシタンスが大きくなるほど)、より低い周波数に対して電流が流れやすくなる。

簡単に言えば、コンデンサーは交流は流すが直流を流さないのが特徴である。

以上の抵抗、コイル、コンデンサを下図のように接続した回路の交流に対する合成抵抗、すなわちインピーダンスは、
左の図のようになる。
コイルやコンデンサによって電流の位相がずれるので、合成抵抗(インピーダンス)は赤線のようになる。

オーディオ機器の設計が難しいのは、このように位相がずれることである。コイルやコンデンサをたくさん通過するほど位相のずれは複雑になる。
そのため、位相がずれないように補正回路が多くなり、回路は複雑になる。

アンプの電源回路

ここで、アンプの電源回路全体の回路図を紹介してみたいと思う。

理解しやすくするために、付属的な回路はなくして、最もシンプルな形で表すことにした。



住宅の壁のコンセントからプラグを通して、上手のように交流が直流に変換される。

これだけを見てもいろいろな部品(要素)があり、どの部品を換えてもアンプの音質に影響を与える。

トランス、ダイオード、電解コンデンサーの品質はもとより、電流の通過する部品はどれもが音質に影響を与える。

ケーブルやプラグを高価なものに換えるということは、よく行われているが、意外に見落としがちなのがヒューズである。

ヒューズの材質がよくなければ、他の部品を換えても片手落ちである。

左の写真はフルテックの高音質ヒューズ。

変圧器(トランスフォーマー)

家庭に来ている交流電源の電圧は100Vだが、そのままアンプの電圧に使用できる場合は少ない。
それで、トランジスタアンプの場合は50Vぐらいに、真空管アンプの場合は250V〜500V、1000Vを必要とする場合もある。

こういう時に使われる電子部品が変圧器である。
変圧器は通称トランスと呼ばれている。正しくはトランスフォーマーである。

トランスは左の図のように1次コイルと2次コイルが巻かれていて、磁力線を仲立ちとして電力が１次から２次へ伝達される。

電圧は巻数に比例して伝達されるが、トランスの電力容量が大きくないと、増幅回路が要求するだけの電力を供給できないので、必要とする電力量の何倍もの余裕が必要である。
某メーカーの担当者に聞いたら10倍ぐらいないとだめですよと言っていた。

そういうわけで、高級アンプでは巨大なトランスが使われていて、アンプの重量の相当な部分を占めている。
ちなみに、私の使っているアンプでは(高級と言えるかどうかは別として)、アンプの総重量28Kgに対して電源トランスだけで15Kgを占めていた。

左の図に示すように、トランスは電磁石であるから、盛んに磁力線を発生している。
従って、トランスの近くでは磁力線の影響を受けやすいので、他の機器の配置を考慮する必要がある。

電源回路のダイオードとコンデンサー

電気エネルギーが音になるわけだから、電源の部品は大切である。
まず、交流から直流に変換するところで使われるダイオード、コンデンサーは影響が大きい。

ダイオード

ダイオードの役目は、一方向のみ電流を流すことである。
だから、順方向に対しては抵抗が０(ゼロ)で、逆方向に対しては抵抗が無限大であるのが理想だが、実際にはそういう部品は存在しない。
現実には、そういう理想に近いものが良いことになる。
順方向の抵抗値が高いと、電流が流れにくくなり、レギュレーションが悪くなる。

レギュレーションとは、電気エネルギーを必要とするとき、如何に瞬時に電流を流せるかという瞬発力のようなものである。
また、ダイオードがどれほど大きな電流を流せるかという容量により、アンプの出力は制限される。

電解コンデンサー

電源回路に使われるコンデンサーは、電解コンデンサーと言われる、電解液(誘電体)を絶縁物に浸透させた特別なコンデンサーが使われる。

電源回路の電解コンデンサーは電流のムラ、つまり、ダイオードにより一方向に制限された電流が流れない間電流を供給する電気を貯めたタンクのような役目をするので、十分大きな容量のコンデンサーが必要である。
大出力のアンプでは、巨大な電解コンデンサーを搭載することになる。

また、コンデンサーは直流を流さないのが理想であるから、直流抵抗の高いものがよい。


大出力アンプには大きな電解コンデンサーが使われる


電解コンデンサーの近くにダイオードが配置されている

左は真空管のダイオード5AR4である。
真空管アンプには、真空管のダイオードが使わたり、半導体のダイオードが使われたりするが、トランジスタアンプに真空管ダイオードはまず使われない。

ダイオードは半導体か真空管かでは、当然、アンプの動作が違ってくる。

交流を直流に(2)

かまぼこ型の完結した電圧(電流)をなだらかにするには、何らかの工夫が必要である。




それには、上図の赤の部分にも電圧がかかるようにする必要がある。

ここで、水の流れを想像してみよう。
水源から、水が安定して供給されない場合、下図のようにタンクを設置すると、水流は安定する。



このタンクの役目をするのが、コンデンサーという部品の役目である。

交流は、ダイオード、コンデンサーを通過することにより、直流に変換される。

交流を直流に(1)

交流を直流に変えるための方法は、まず下図の回路のように、ダイオードを使って、一定時間ごとに＋−が変化する交流波形を＋側だけ(あるいは−側だけ)にする。



この回路ににより、交流の正弦波(sin)は0V(ボルト)の下側の−側だけが切り取られた波形が出力される。

とぎれとぎれの電圧(電流)が出力されるが、これではまだ増幅回路の電源として使うことはできない。

電源はすべての源

オーディオは音楽と関係の深い電気機器である。
従って、オーディオを理解するためには、電気的知識と音楽的知識の両面が必要である。

今回は、オーディオに関係した電気知識の基本を、筆者自身が再確認するためにまとめてみようと思う。
読者の方で何かお気づきの点がありましたら、コメントをよろしくお願いします。

スピーカーを通して音を聞くということは、スピーカーの振動する運動をエネルギーを空気により耳の鼓膜へ伝えて振動させることである。

その源をたどれば、家庭に供給されている商用電源の電気エネルギーが源になっている。

このことから、電源から供給される電気エネルギーが最終的には音楽を奏でる音に変換されるわけであるから、電源はオーディオにとって非常に重要である。

交流電源から直流電源へ




家庭に供給されている電源は交流であるが、アンプの増幅回路は直流でしか働かないから、まず交流を直流に変換するという回路が必要になる。

いきなり、交流を直流に換える回路に移る前に、交流の特質をよく眺めておきたいと思う。




図に示すように、交流は電圧がA点の0Vより次第に上昇し、B点で最大にになると下降し始めてC点で再び0Vとなるが今度はその地点からマイナスに変化する。
マイナスの電圧はD点で絶対値が最大となり次に再び0Vに向かって電圧は上昇しE点で0Vに達する。

以後E点からA点から開始したと同様な繰り返しが行われる。

ここまでが、当たり前のようだが、以後交流のポイントを理解するための基礎である。

また、このAからEまでの繰り返しが１秒間に50回現れる交流を50Hz(ヘルツ)、60回現れる交流を60Hz(ヘルツ)の交流という。

日本は交流電源が50Hz地域と60Hz地域に分かれており、交流電源の変化を利用して回転を作っているモーターでは、それぞれの地域でモーターの回転数が変わる。

回転数が変わっても問題のない機器と問題の生ずる機器があるので、電気機器を購入したりするとき注意が必要である。

図でわかるように、交流は絶えず電圧が変化するのであるが、その変化はプラスマイナスが逆転するということ、AからEまでが一波長であるが、一波長中に２回電圧が0V(ボルト)になる瞬間があるということは大きな特徴である。

これは、電球を点灯すると、50Hz地域では１秒間に100回、60Hz地域では１秒間に120回スイッチを切っている(電球が消えている瞬間がある)のとおなじことになる。