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 2005/11/24 更新

フォノイコライザーって何ですか?・・・(バイト19番さん)
バイアス?インピーダンス?バッファー?・・・(私小説家 M 様)
 Vrms って何? dB って何?
 
 

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[Q1]フォノイコライザーって何ですか?(バイト19番さん)

PLAYER

レコードってご存知ですか?黒い円盤状で、クラブなんかでDJがシコシコシャカシャカ動かしているアレです。CDに対してAD(アナログディスク)と呼んだりもします。
乗っけてる台全体がレコードプレイヤー、回転台をターンテーブル(まんま)、擦っている針がついている部分をカートリッジ、それを取り付ける部分をシェル、それを支える長い棒をトーンアームと呼びます。
レコードを作るには、カッティングマシンで盤に溝を削り、その盤から型を取り、出来上がった型でプレスして量産します。カッティングマシンにもターンテーブルや、削り取る針(ヒーター付き)、水平移動するアームが付いています。

ここからが本題で、カッティングマシンのターンテーブルもレコードプレーヤーと同じく、等速度動作します。
等速度録音では、針先の変位が周波数に逆比例し (適当に流し読んでください)、中域でちょうどいい振幅にすると、低域では振幅が大きすぎ、隣の溝にくい込む恐れがあり、高域では振幅が小さくなりすぎ、ノイズに埋もれてしまうことになります。 そこで、中域は等速度録音、高域と低域は等振幅録音という RIAA 録音規格でカッティングされます。要は、高域が持ち上がり、低域が下がって録音されているわけです。(低域端と、高域端では、なんと40dB[100倍]の比)
この再生音を、等価(イコライズ)してフラットな周波数特性に戻すのが EQ(イコライザー)の働きであります。
(オーディオDCアンプシステム[上巻] 金田明彦著 110 ページより大部分抜粋)

(小学館 BOOK SHELF Ver.2.0 より)
phono/founou/ phonograph ←フォノについては良く分かりません。
[名]《略式》=phonograph. [名]《米古風》蓄音機(《英》gramophone) 他のEQと区別する為、昔から使っていた。

EQを使うのはレコードだけではなく、オープンテープデッキの NAB 規格、カセットデッキの DIN 規格、CDのエンファシス等々、再生側にEQがなければ正常動作は望めない。
ところが、レコードプレイヤー以外は、各規格再生EQがデッキ内部に内蔵されており、誰もが意識なく使用している。(もっともDJ人気で、PHONO EQ 内蔵廉価版プレイヤーなんてのもあるが。)
昔のステレオには、必ず PHONO IN なる物が有り、何のためらいもなくレコードプレイヤーをつないでいた。つまり、PHONO EQ はアンプ側に内蔵されていたのである。当然DJミキサーにも内蔵されているが、通称コンポと呼ばれるものは、省略、内蔵を、時代と共に繰り返している。

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[Q2]

バイアス・・・?』    『敵か・・・
インピーダンス・・・?』    『女性キャラの技じゃないか・・・
バッファー・・・?』    『冒険の途中で出会う仲間だろう・・・      (私小説家 M様)

バイアス ・・・・確かに敵キャラかも?

バイアスには、DCバイアスと、ACバイアスがあります。
バイアス (小学館 BOOK SHELF Ver.2.0 より)
(英bias
1布地を、布目に対して斜めに裁つこと。また、その布。
2「バイアステープ」の略。
3真空管、トランジスタなどの素子を適切な動作状態にするために、それらの素子の各端子間に加える直流電圧のこと。

辞書では、上のように書かれているが、実際の[3]の例を示してみよう。
両電源 片電源
±電源によるバッファーアンプ 片電源(006P×1)のバッファーアンプ

上右の図が、DCバイアスの例です。
006P電池の真ん中に電極を突き刺してアースするわけにもいきませんので、電池に並列の2つの抵抗で分圧した電圧(バイアス 通常は、半分の4.5V)を基準にして、アンプを動作させます。
当然アンプの入出力は、4.5V 付近にシフトされていますので、コンデンサーで直流分をカットしてアース基準に戻さなければなりません。左右どちらも建て前では同じ動作をしますが、この余分な回路(コンデンサー他)が必要悪となるわけです。

ACバイアスに関しては、深くは解説しません。
磁気テープ(カセットテープとか)に、効率良く音声を記録するには、録音ヘッドにオーディオ信号と共に、高周波のバイアス電流を流さなければいけません。この方法をACバイアス法と呼びます。(ちなみに、消去ヘッドにはバイアス電流だけを流す。)
この高周波を作るバイアス発信器は、質の悪い古典的なものが多く、バイアス歪を発生し、ヒスノイズを生み、磁気テープのS/Nを下げる敵キャラとなっている。

Q2

インピーダンス ・・・・・使いこなせれば、に?女性キャラじゃないような・・・・?

電圧と電流の比がインピーダンスで、電流の流れにくさを表す。
インピーダンス (小学館 BOOK SHELF Ver.2.0 より)
(英impedance)交流回路で電流の流れにくさを表わす量。 直流回路の抵抗に相当、大きさは回路に含まれるコイルのインダクタンスと蓄電器の電気容量による。単位はオーム(Ω)。記号Z

理想の抵抗は、直流交流(周波数の高低に関わらず一定の抵抗値  を示す。
つまり、インピーダンス Z=R という事になる。

周波数に依存するものでは例えば、
コンデンサーのインピーダンスは、 は、角周波数
周波数  が高くなるほど流れやすくなり、直流 f=0Z=∞ では、流れない

しかし、現実の抵抗には(インダクタンス)分も、(電気容量)分も有り、理想とは違った動作をする。
コンデンサー(辞書では蓄電器)も、高周波ではハネ帰り現象が起こり、ある周波数から上は、インダクタンスのような(正反対の動作)状態になる。
コイル等(インダクタンス)に至っては、理想とはかけ離れた動作をするものがほとんどである。

Q2

バッファー ・・・・・・君は、仲間になれるか?
KEWは昔、『バッファーとは、座布団のようなもの』と、習ったが果たしてどうだろう?

buffer/bfir/(小学館 BOOK SHELF Ver.2.0 より)
1(鉄道車両などの)緩衝器;《〜s》《英》(線路の)緩衝器つき車止め;(…の)衝撃[苦痛など]を和らげる物[人],(…の)盾となる物[人]《against...The child was a between the quarreling parents.子供が間にはいって両親の口論をなだめた.
2buffer state.
3〔コンピュータ〕バッファー,緩衝記憶装置.
4〔化〕S緩衝剤;緩衝液.
曠曦
1〔化〕…を緩衝液で処理する.
2〈衝撃・危険などを〉防ぐ,減じる;〈痛みを〉和らげる.
3〔コンピュータ〕〈データを〉バッファーに保留する.

オーディオや、楽器の世界で『バッファー』と言うと、一般的には、ボルテージフォロワの意味。
電圧増幅は行わないが、インピーダンス変換(電力増幅)を行う事を指す。
『バイアス』の説明で使った回路が、まさにそうである。

ところが、このボルテージフォロワというシロモノが、なかなかクセモノで、音の良いオペアンプがこの動作を受け付けなかったり、 トランジスタのエミッタフォロワ、FETのソースフォロワ等どれも一長一短である。ディスクリートでパーツを組み合わせても、どうしても音質が変わってしまう。
実は、増幅率一倍の正相アンプ(UNITY GAIN)が、一番難しいのである

座布団10枚はラッキーだが、バッファーは段でも死活問題。仲間にしなくてはならないが、なかなか手ごわい相手である。

Q2

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[Q3]

Vrms って何? dB って何?

こちらは、ご質問を頂いた訳ではなく、KEWの為の物理数学系リハビリ用『メモ書き』となっております。
早い話がヤラセ?m(__)m
数式その他は、飛ばし読みOK何故にこんなものを使うのか、と言う部分だけ押さえていただければ幸い。

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Vrms  RMS (Root Mean Square value) は、交流電圧の実効値を表す。
実効値を辞書(小学館 BOOK SHELF Ver.2.0) から抜粋してみると、

『交流電圧や交流電流の大きさを表す一種の平均値。一周期についての瞬時値の二乗を平均した値の平方根。 同一の抵抗にこの実数値に等しい直流電圧をかけた場合にジュール熱の発生等が等しくなる。』

う〜ん、チョっと解かりにくい表現である。

電圧の二乗(Square)の平均値(Mean)の平方根(Root)、と言われても良く解らないので、正弦波を例に考えてみることにする。(計算が楽なように、ピーク電圧1Vp、周波数1kHzの正弦波をシミュレート)

RMS(1kHz)

緑が、ピーク電圧1Vp周波数1kHzの正弦波。中央の1.0msで一周期となる。
それを二乗したものが赤。半分の振幅で、周波数は2倍に、しかも0.5Vプラス側にシフトしている。 細かく言うと、0Vラインと赤のカーブ間の面積である。

それを平均化するわけだが、灰色の部分に注目すると、のラインを中心にするとお互いの面積が相殺されるのがわかる。よって、平均値は Vp2/2=0.5 (Vp=1Vから) となり、 平方根は Vp/root2 =0.707Vrmsとなる。なお、実際のシミュレーションでの平均値は、のラインを中心にフラフラと波打ちながら 0.5 に収束するが、 シミュレーションが目的ではないので示していない。

で、本当にそうなるのか、数式を使ってみる。交流は常に電圧が変化しているので、瞬時値で表現する。

瞬時値瞬時値 ⇒ これを二乗すると、
瞬時値の二乗 ← 代入する 式
瞬時値の二乗
瞬時値の二乗の平均値    (積分等は省略) 平均値
瞬時値の二乗の平均値の平方根 平方根

三角関数を見た途端に逃げ出したくなった人もいるだろうが、あまり難しく考えないでいただきたい。
2の式から、瞬時値での sin(ωt) か゛、cos(2ωt) とカッコ内が2倍になっていることから、周波数が2倍になっていることがわかり、 その頭にくっついた Vp2/2* が振幅を表し、一番頭の Vp2/2 がシフト量を表す。要は、シミュレーションの確認をしただけである。

次に、交流は正弦波以外にもイロイロあるので、代表例の実効値をまとめてみる。

実効値の代表例

本題の『何故にこんなものを使うのか?』に戻り、電力についてもシミュレートしてみる。

V,I,P

 のスケールを他の2倍にしたので注意。そうしなければ、 と完全に重なって見ずらい。
上のシミュレーションと比較すると、P=V2のように見えるが、R=1Ωにした為で、実際には P=V2/R
P(=V×I) も、2倍の周波数で変化し、その平均値(平均電力)を求めると、0.5Wとなる。

AC+R/DC+R
直流回路と同じ計算

つまり、実効値を使うことにより、右上の直流回路と同じ計算平均電力を求める事ができるようになる。
言いかえると、

交流電圧の実効値(Vrms)とは、同一の抵抗に対して、実効値に等しい電圧の直流と同じ電力を消費させる電圧である。 だから、実効値とは交流のエネルギーを表現していると考えられる。(金田明彦のスーパー・サーキット講座NO.8(MJ 1996/8)121ページより)

補足:)商用電源(一般家庭の壁コンセント等)は、AC100Vと書く事はあっても、AC100Vrmsと表現される事は少ないちなみに、ピーク電圧は141Vp)。このように、交流である事が明確であれば、実効値であることは省略される場合があるので注意。

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dB(decibel デシベル)は、電圧・音波・力のの単位です。

19世紀半ばに、『人間の感覚量は刺激量の対数に比例する』という『ウェーバー=フェヒナーの法則』が、あったそうで、影響からか、常用対数を利用した電話回線の電力損失を表す単位[Bel]が登場する。 もちろん電話の発明者 Alexander Graham Bell からのネーミングである。式で表すと下のようになる。

100log(W2/W1)W1が送信側、W2が受信側電力

この式では、一般には使いにくいので、1/10にしたものが電力比として使われるようになる。

10log(電力比)/単位[dB]

1/10を表す倍数記号[d(デシ)と、[Bel][B]からdBとなったのである。

よく使う電圧比では、下の式となっている。

20log(電圧比)/単位[dB]

と、電力比の2倍になっている。なぜ違うのかは後においといて、覚えて置きたい例を示す。

20log(電圧比) 使いこなしたい式

計算例から、比率では掛算、割算になるところが、dB表示では、加減算になることに注目。つまり、
桁数を圧縮できるメリットである。一般に1,000,000倍より、120dBの方が視認性が高い。

dB 自体は、比率を表す単位だが、基準となる0dBに相当する値を決める事で、dB表示でも実際の数値を示す事ができる。以下、よく使われるものを示す。(ただし。高周波関係は省略、というより知識がない。)

・[dBm]『ディー・ビー・エム』

電話回線で使用の、600Ω定インピーダンス伝送から、1mWの電力を基準としたもの。1mW基準を表す為、[m(ミリ)]を付ける。1mWより換算すると、0dBm=0.775Vrms
ところが一部の放送局関係機器を除くと、現在の音響機器では、ハイインピーダンス入力、ローインピーダンス出力が当たり前で、本来の意味が薄らいでいる。

・[dBv]『ディー・ビー・(スモール)ブイ』/[dBu]『ディー・ビー・ユー』

0dBv=0dBu=0.775Vrms。こちらは、dBmに対して、インピーダンスに関係なく、電圧のみを基準としている。従って、業務用機器の標準は +4dBv=+4dBu=1.23Vrms のように表記するのが正解である。 業務用音響ミキサーのVUメーターは、0VU=+4dBu となる為、VUメーターの−10dB表示は、4dB加算され、−6dBu=0.387Vrmsとなり、民生機(家電)標準の−10dBVより大きい値となる。

・[dBV]『ディー・ビー・(ラージ)ブイ』/[dBs]『ディー・ビー・エス』

0dBV=0dBs=1Vrms。民生機で標準として使用される。比率=電圧となるので、計算が楽である。
こちらも、インピーダンスには関係なく、電圧のみを基準としている。
−10dBV=0.316Vrmsを基準とする機器が多かったが、CDプレイヤー等、高めに出力設定する場合が増えてきている。 なお、ディー・ビー・(スモール)ブイと間違わないようにできたdBsは、ほとんどお目にかからない。また、上二つの単位とゴッチャになったカタログも、見受けられる。

・[dBSPL]『ディー・ビー・エス・ピー・エル』

音圧レベル[Sound Pressure Level]。基準となるレベルが、『正常な聴力を持つ人間に聞こえる最も小さい1kHzの音圧』と、かなりアバウトだが、一応、0dBSPL=2×10−4µbar(マイクロバール)現在では→=20µPa(マイクロパスカル)という気圧の単位での基準がある。 120dBSPLの爆音状態でも、20Pa(パスカル)と意外と気圧の変化は小さい。
式は、10log10(P/0.00002)2[dB]だが、簡易的には、音圧は測れない。20dBSPLが寝息程度、130dBSPLがジェットエンジン近辺(どれ位の距離か不明?)などと、言われている。
『人間が正常状態で聞く事のできるもっとも大きな1kHzの音圧』については、人体実験の例を知らない。

ラウドネスレベル(単位[phon]フォン)というものがあったが、これは人間の聴覚感度が周波数に依存する為、聴感補正した音圧レベルである。現在では、騒音レベル(単位[dB(A)])となっている。
1kHzでは、XdBSPL=Xphon=XdB(A)となる。

・[dBSPL/W/m]

スピーカーの能率を表す。80dBSPL/W/mとは、スピーカーを1Wの電力でドライブした際、軸上1mの距離で、80dBSPLの音圧レベルが得られることを意味する。
極端な例を示すと、このスピーカーに100W突っ込むと、10log10(100/1)=20dBアップして、100dBSPLの音圧レベルが得られるが、むしろ逆に、能率100dBSPL/W/mのスピーカーを使って1Wで鳴らす方法もあるわけである。(この辺が、SRでは深刻な問題。一般的には、低音用スピーカーでは大口径な程、能率が高く、更に高能率の高音用ホーンスピーカーでは、わざわざ減衰させて使用するケースが多い。)

なお、音圧レベルと距離の関係は、距離が2倍になると6dB減衰する。(20log10[1/距離比])

・[dBSPL]おまけ

遮音性能

遮音性能を考えてみる。騒音レベル80dB(A) の環境で、全帯域で透過損失(TL)20dB、厚さ[d]の遮音壁を設けると、80-20=60dB(A) まで騒音レベルが減衰する(周り込みがない場合)。
そこで、遮音性能を上げる為に、厚さ[2d]と、物量を2倍にしてみる。が、透過損失(TL)25dB と5dB しか変わらない(6dB になりそうだが、この辺が限界とか)。

そこで、最初の厚さ[d]の遮音壁を二組設置すると、80-20=60, 60-20=40dB(A) と、厚さ[2d]より効果が高い事がわかる。実際には、二組の遮音壁を干渉しないように設置するのは不可能なので、少し効率が悪くなるが、2倍の物量を用意する予算があれば、覚えておいて損はない。

MACKIE's FADER 上の例のように、加減算で計算できるdB表示はとても便利なものである。
電力比、電圧比で式が違うのも意味があり /P=(VE22/R)/(VE12/R)
10log10(P/P)=10log10(VE2/VE12=20log10(VE2/VE1
音響ミキサーのフェーダーを5dBUPすると、パワーアンプの出力電圧も5dBUPし、
スピーカーには5dBUPした電力が供給され、5dBUPした音圧が得られる。
つまり、直感的にオペレートできるのである。
『人間の感覚量は刺激量の対数に比例する』というのは、実は間違いで、
刺激量が大きくなると、感覚量はより鈍感になり、小さい刺激量ではより鋭敏になる。
この仕組で、自然界の強烈な刺激から、人間の五官は守られている。
太陽光を直視して『マブシイ!』とは思っても、失明する事もなく、
カミナリの音で発狂する事もない。(一時的に錯乱する人はいるが(-。-)y-゜゜゜)
居酒屋のホリゴタツに突っ込んだムレたクツシタの臭いも、いつしか慣れ、
タコ刺しの玄妙なうまみにも反応する。
触覚の鋭敏さなくして、楽器演奏も電気工作もスポーツも成り立たない。
ただ最近のKEWは、視覚『フォーカス面』、聴覚『特に高域限界』共、ダイナミクスが
狭まり、嗅覚味覚面では、(-。-)y-゜゜゜が、衰えに拍車をかけ、
唯一、触覚に関してギターのリハビリによる衰え防止、ボケ予防を行っている。
第六感に至っては、生誕と同時に退化したようである。

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