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サウンドアンドステージブログへようこそ
一級舞台機構調整技能士(音響機構調整)の管理人(新田康久)が舞台音響技術やその周辺の話題を取り上げます。
管理人の性格上しばしば脱線するかも知れませんが・・
なお、つっこみ、茶々大歓迎ですよ・・
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舞台音響・PA・SRとライブでの周辺技術

一級舞台機構調整技能士でもある管理人が、舞台音響(PA,SR,Recording)などに関わる話題と技法に迫ってみたりする。

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 前回、ダンピングファクターの話をした・・

 で、ちょっちカーオーディオの話もした・・

 このカーオーディオ・・オーディオの世界ではちょっと毛色が違っている・・
 そもそも強大な騒音の中で音楽を聴こうなどという無謀な世界なので、一般的なオーディオの常識(もちろん業務用も含め)とは違った常識が多い・・

 さて、前回バッテリー動作のアンプゆえトランジスタの動作電圧が低くしか取れず、インピーダンスの高いスピーカーでは出力を稼ぎにくいことから、4Ωという普通のオーディオ用スピーカーに比べ低いインピーダンスのスピーカーが一般化した・・と書いた・・(文面自体は違うけど・・)

 なんでこんなことが起こるのか?
 例によって知っている人は笑い飛ばしてね・・

 出力何ワット・・というときのワットとは電力・・特にアンプの場合出力側の供給可能最大電力を言う。
 んで、電力とは

 W=EI

 という計算式で通常知られている。まぁ電圧×電流だよ・・ということ。
 電圧と電流、どちらを多くしても出力は上がる。

 さて、電圧は

 E=IR

 という計算式で表現される。電気をかじった人間なら真っ先に習う式である。
 この計算式・・現場に応用しようとするとなかなかに奥が深い・・

 ┌───┐
 V   │
 │   RL
 Ri   │
 └───┘

 上記の簡単な回路図・・色々置き換えて応用できる。電池と豆電球でもアンプとスピーカーでもいいのだな・・
 この場合、全角大文字のブイが電圧源と業界では称される。まぁ理想的な電圧供給源・・ということはこの世には無い・・ということだ・・なにせ理想的ですから・・
 で、現実にはないので仕方なく現実世界にある電池とかアンプとか諸々の電圧を発生するものに起こる現象を説明するため内部抵抗(図ではRi)というものを考える。
 まぁ、通常は無視していいくらいなんだが、この電圧源を使って何か仕事をさせたいわけで・・そこには負荷が接続されることになる・・電球とかスピーカーとか、電ノコとか・・
 これを負荷抵抗としてRLで記載してある。

 で、これらが「直列」に電線でつながって初めて「回路」が出来上がるわけだ・・

 さて、すでに電圧が出ている(電池なら常に、アンプなら何か音を出して・・)なら回路がつながった瞬間動作を始める。

 オーディオの話題なので、アンプとスピーカーの話に絞ろう・・

 8Ωのスピーカーに8Vの電圧が掛かったとする・・
 E=IRという計算式の中で現在不明なのは電流値・・スピーカーの抵抗(まぁインピーダンスだけどやっつけね)は8Ωで分かっている。電圧はさっき8Vと言ったからね・・これはアンプが作り出す。

 すると不明の電流を求めるため式を変形して

 I=E/R

 で、

 I=8V/8Ω=1A

 と、1アンペアの電流だ・・

 んで、さっきのワットの話と計算式を適用すると、

 W=EI=8V*1A=8W

 せっかく電気の基本公式まで出したのだからこっちを組み込むと

 W=EI=(IR)*I=I^2R

 「^2」の部分は二乗のことね・・
 この計算式で再度計算すると

 W=I^2R=(1A*1A)*8Ω=8W

 計算式アレルギーの人、メンゴ!

 さて、このR(つまりスピーカーのインピーダンスが表に出てきた計算式で再度カーオーディオの4Ωスピーカーならどうなるか計算してみませふ・・

 アンプの電圧は同じ8V。
 まず、同じ条件で電流はどうなるか計算。

 I=E/R=8V/4Ω=2A

 アンプの動作条件が同じなら2倍の電流が流れたね。

 で、出力を計算

 W=I^2R=2A*2A*4Ω=16W

 どうだ!倍になったぞ!

 と、これがスピーカーをパラ接続したときにも起こる。

 で、最初に言ったね・・アンプの電圧を稼げなかった頃、手っ取り早くカタログ上の出力を上げる良い方法がスピーカーのインピーダンスを下げることだったのだな・・

 この計算式で気がつくと思うのだけど・・電流が倍になっている・・

 これが非常に厄介な問題を引き起こすのだが・・長くなったので続く・・・^^;;
基礎理論? / 2010/07/18 10:16
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 昔(1970年ごろ)のオーディオマニアには常識だったかも知れない理論が、自作ブームの終焉と共に曖昧模糊になった一つがこのスピーカーのインピーダンスに関する知識。

 現代アンプは数奇者の真空管アンプを除くと多段コンプリメンタリーのウルトラ低インピーダンスアンプが一般化して、下手すると1Ω負荷なんて言うものを許容する時代になりつつある。

 これは何でこういう要求があるかと言うと、典型的にスピーカーをパラレル動作して、少ないアンプで大量のスピーカーを鳴らしたい!ということなんだな・・

 8Ωのスピーカーが2本パラで4Ωに、4本パラで2Ωに・・8本パラだと1Ωに成ってしまうのだが、普通のアンプは4オーム未満ではあまりに負荷抵抗が少なくて保護回路が働いてしまう。

 で、ちょっと前までのアンプは内部インピーダンスもそこそこだったので、4~16Ωと言うのが適正負荷範囲だったのね・・

 この時代、なんとかたくさんのスピーカーを鳴らしたい・・と言うときに直並列接続とか並直列接続と言うやり方がよく使われた・・厳密な言い方と言えるかどうかはメンゴ!

 具体的には、アンプ側からの負荷インピーダンスが8Ωとなる様に8Ωのスピーカーをまず直列にしてから、その組合せを並列にする・・と言う接続方法・・これを勝手に直並列接続・・と言うことにしよう。
 8Ωが2本直列で16Ωに成る。これを二組並列にすることで8オームになると言う接続法だな・・

 今一つのやり方は、8Ωスピーカーを2本並列にする。これを二組直列にするというもの。これを勝手に並直列接続と言うことにする。まぁ8Ωが2本パラで4Ω。これが二組直列になるため結局8Ωに収まるよ・・と言う話である。

 結果、アンプ側から見た負荷インピーダンスは8Ωのままなので、アンプの動作上は問題はない・・

 実際、自作オーディオ盛んなりし頃はフォステクスやらコーラルやらの小型スピーカーをこのやり方で4本とかを一つのボックスに収めた製作記事が膨大に載っていたものだ・・

 さて、この接続法・・アンプ側から見た場合一本で鳴らしたときとあまり違いは無い(全く無いとは言えない)のだけれど、末端の一本のスピーカーからアンプ側を見たとき、大きな違いが生じてしまっているのに気がつくでしょうか?

 スピーカーからアンプを見た場合、限りなくゼロに近い方が音質が締まり良くなります。

 知っている人は疾うに知っている話ですが、スピーカーがボイスコイルによって動作している限り、入力に伴ってコイルが動き出した途端、逆起電力を生じます。この逆起電力の方向は入力電力と逆方向なので、動こうとするスピーカーを止めようとする動きです。これが充分に流れるかどうかはこの逆起電力から見た負荷側・・つまりアンプ側が充分に抵抗値が少ない必要があります。でないと逆起電力によって生じる電流は微弱となり、一旦動いたコーン紙(ダイヤフラムでも)の惰性振動が収まりにくくなるわけです。ちょっち分かりにくいかな・・
 車やバイクのサスペンションに興味のある人ならすぐ分かると思うのですが、様はダンパー抜けしたサスの車のようになってしまうと言うことですね・・
 まぁ、簡単に言うと、スピーカー単体から見たアンプ側は限りなく低インピーダンスの方が、ダンピングの利いた(つまり締まりの良い)音になると言うことです。故に、アンプのインピーダンスと、スピーカーのインピーダンスの比率は10以上を理想とされています。アンプ側が当然小さい・・
 んで、現代の多段コンプリメンタリーアンプは100以上なんてのがざらなわけです。

 ここまでがスピーカーとアンプが1対1の直結の場合。

 で、話を戻します。

 直並列とか並直列・・

 直並列の場合

 ┌───┬──┐
 A   SP  SP
 M   │  │
 P   SP  SP
 └───┴──┘

 並直列の場合

 ┌───┬─┐
 A   SP SP
 M   └┬┘
     ┌┴┐
 P   SP SP
 └───┴─┘

 で、まぁ普通の結線図(例によって多分等幅フォントなら見えると思う・・

 これをスピーカーから見直すと(下図では左端に記載したスピーカーね)

直並列の場合

 ┌───SP┬─┐
 │    SP A
 SP    │ M
 │    SP P
 └────┴─┘

アンプは殆どゼロと見なせるとして
簡略化すると

 ┌───SP─┐
 │     A
 SP     M
 │     P
 └─────┘

 アンプがもっともインピーダンスが低いので、パラになるスピーカー部分は、もっとインピーダンスが下がる要因としてネグレクトして記入しました。
 この図から判断して、アンプ部分が殆どショートであっても上部のSPのインピーダンス、8Ωが厳然と残っていることが分かります。よって、一発のスピーカーから見たダンピングファクターは1以下となります。8/8だもんね。

 では、並直列では?

 ┌───┬─┬─┐
 │   │ SP SP
 SP   SP └┬┘
 │   │  AMP
 └───┴──┘

これを例によってアンプは殆どショートと見なし簡略化して

 ┌───┬──┐
 │   │ ┌┴┐
 SP   SP SP SP
 │   │ └┬┘
 └───┴──┘

右端のスピーカーペアは4Ω、よって左端のスピーカーから見たアンプ側インピーダンスは、4Ωのスピーカーと8Ωのスピーカーが並列接続されたときと同じインピーダンス。この場合合成インピーダンスは1/((1/8)+(1/4))=8/3=2.6Ω。よってダンプングファクターは約3・・
※ 計算式に括りのカッコが抜けていたのであとから追記・・なんてこったい!

 ダンピングファクターが高いほど締まりの良い音になると言う観点からどちらがより適切な接続になるかは一目瞭然!

 如何でしょうか?

 よんどころない事情で少ないアンプで多くのスピーカーを鳴らす必要があるときの参考にしていただければ幸い。

 なお、スピーカーケーブルが低抵抗で距離が短ければ短いほど理想である理由も、ダンピングファクターと大いに関係がある。なぜなら8Ωと言うスピーカーのインピーダンスとアンプの内部インピーダンスに較べスピーカーケーブルのインピーダンスが結構大きく影響するためである。ここ結果行き着いたのがパワードスピーカー・・これなら設計者の意図通りの動作をする・・と言うわけだ・・

 余談であるが、カーオーディオ用のスピーカーのインピーダンスは4オームが多い・・これはアンプの動作電圧がバッテリにより規制され低いため、出力を見かけ上確保するために採用された・・と言う経緯がある。よって、よりケーブルに対する要求は厳しくなる。

 余談その2
 パワードは関係ないが、先に記したスピーカーの逆起電力。ショート状態が一番利いてくる・・これを利用して運搬時のコーン紙の振動抑制のためスピーカー端子をショートしておくとスピーカーの破損が防止できる。
 もちろんパワードでは意味がないし、ネットワークの設計次第では効果のないこともあるけど・・
基礎理論? / 2010/07/10 11:00
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 メールにてご質問を頂いたナチュラルディレイについて、せっかくだから今少し詳しく解説しておこうかな・・

 そもそもディレイシステムを使った定位操作については、東欧圏において共産主義特有の巨大会議での明瞭度確保の要求から開発されたと聞いている。おっと、この場合の定位とはLRの各々のスピーカー間のどこに任意の音源(楽器だな・・)をおいたように聞かせるかと言う事と解して欲しい。

 通常、ハース効果と呼ばれるディレイを応用した定位操作法はしばしば解説されるところである。文献も多い。

 ぶっちゃけていうと、音量差をつけなくともある音源を定位させたい分、させたくない側を遅らせると定位が動いていく・・だから、左に楽器を定位させたいなら、右側を遅らせると良い・・というものだ・・
 どのくらい遅らせるとどの程度定位がシフトするのかは忘れた・・^^;;

 で、ここで問題・・このハース効果での定位シフトでは音量差は付けていない・・これに音量差が加わるともっと早く定位は動く・・
 もし、リスナーがセンターなら問題はないが、遅らせたはずのスピーカー側に位置する人にはあまり意味はない・・
 が・・がだ・・音量バランスは変化していない点に注意。

 つまり、ディレイシステムを用いて時間をいじっても音量の変化は伴わないので音量バランスは変化していないと言う点が、ディレイを用いた定位操作法のメリットと言える。

 さて、左右のスピーカー間のどこに音源を定位させるかという課題としてディレイシステムによるハース効果をつかうということは、結局何を意味しているのでしょうか?
 ディレイシステムを使うと言うことの意味はなんでしょうか?

 と言うことなのだな・・

 ディレイを用いて時間を遅らせる・・ということは、リスナーとの関係において、音源がどんどん後に下がっていくということでもある・・
 だよね?だって音の出るタイミングが遅い・・と言う意味は、聞く側からすると音源が奥にどんどん引っ込んでいくことと同義・・(音量と、高域減衰の問題はパス)

 んで、ステレオ再生においてハース効果が発生する理由って、人間は先に出た音の情報に拘束されると言うことを利用しているのだ・・先行記憶の拘束性だ・・
 だから、見通しの良い直線道路で事故が起こるし、鏡の自分はいつも少し若いわけだ・・

 この意味わかりますか?
 人間は常に先に記憶した情報をあとから使いまわす・・と言うことが、ハース効果にも出ていると言うことなのさ・・

 単純に音響生理学だけの問題ではなく、人間の認知システムと大いに関係する問題なのよ・・

 だから、音響家たるもの、人間に対する理解を深めたいと思うのよね・・

 で・・

 横広がりの会場でステレオスピーカー設置をするとどうしても会場内のリスナーの位置によって音量バランスに極端な差が出そうなとき・・
 ミュージシャンのジャンルがナチュラル系ならと言う前提で・・

 視覚は聴覚を凌駕する・・特に位置関係に於いては・・という大前提を基礎におく・・

 リスナーはミュージシャンの立ち位置を脳に刷り込ませている・・と言う状況で、ミュージシャンより後ろにモノラルでおいたスピーカーから出る音・・と言う条件下ならどこから音が出ていると認識するでしょうか?・・とお尋ねしよう・・

 この場合において、すべてのミュージシャンより全リスナーから遠い位置にスピーカーを置く手助けとして、リギングスピーカー設置の意味も大きくなるのだが・・この点についても熟考してね・・

 ということで、普段良くやる仕事で講演会・・式典などでもうまくこのディレイシステムを応用すると、不自然さの無い、でも十分な明瞭度と音圧を稼げるのよね・・もともとが東欧圏の巨大議会で開発されたと言うことを思い出してね・・

 あとは皆さんの想像力と創造力と応用力の問題・・

 もっとも、ディレイシステムは音源、スピーカー、リスナーの関係が一直線の時に威力を発揮する・・
 なら、リスナーも音源も面状になっている時にどうするか・・

 えへへ・・宿題にしちゃおうかな・・
基礎理論? / 2010/06/10 01:57
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 とあるところで、どうもどこかのアンプで歪むという話題になった・・

 状況を伺ったところ、どうもミキサーのサミング歪みのようである・・
 と、説明したら、私のミキサーはデジタルなので歪まないと思います・・と、言われてしまった・・

 まぁ、デジタルでも歪みますよと答えたのだが・・考えてみると、このサミング歪みを明示的に回避するよいツールがないことに気がついた・・つまり、どのメーターでもチェックできないのだな・・

 ミキサーとは、詰まる所サミングアンプの化け物である・・(あ!言い過ぎか・・)

 で、サミングアンプとは?

 日本語では加算増幅器と称す。

 何のことは無い、1Vと1Vを加えると2Vになる・・と言うように算術加算的な動作をするアンプのこと。

 入力ー加算抵抗ーー┐
          │
 入力ー加算抵抗ーー┤
          │
    ~     ┼─加算アンプーラインアンプ
          │
 入力ー加算抵抗ーー┘

 う~ん等幅フォントなら何とか表示できるかと思うが、ずれていたら頭の中で整形してね・・

 これが複雑にマトリクスされているものがミキサーの実態だな・・おまけは色々あるが・・

 で、仮に16chミキサーの入力1に規定レベルの信号を入れ、出力に規定レベルが出力されるように調整してみる。
 簡単だ・・全部メーターが0dbを指すようにすればよい・・

 この時点では全く歪んでいないはずだ・・これで歪むようなら設計に多いに問題がある。

 これを各々1~10chまで作る。

 この状態で、全部のフェーダーをあげるとメインアウトのメーターは+20dbを指すことになる・・(こんなに上まで表示できるメーターが付いた機種はそうそうなかろう・・)・・まぁ20logP1/P2で信号比が10だと計算でもこうなるわけだ・・
 これでは歪んでしまう・・もしくはスピーカーを飛ばしてしまう・・とばかりに、メインフェーダーを絞ることにする・・まぁ-20dbだな・・

 これで、規定通り安心!と言っていいのかどうか・・だ・・

 メインフェーダーはサミングアンプのあと、ラインアンプの前にある。

 各入力モジュールのアンプは規定レベル内なので問題ない・・ラインアンプはフェーダーで絞った・・から、問題ない・・メーターはもちろん規定レベル・・

 が・・加算アンプは?

 そう・・まだ+20dbで動作しているのだ・・(動作できるものとして・・だが・・)

 この加算アンプの動作を監視し、チェックできる機構が付いたミキサーは・・あるのかな? 私は寡聞にして知らない・・

 対策は、10chもの入力を特定のバスラインに突っ込まないか、必要に応じて入力側の送り出しレベルを下げるしかない・・

 Mackieはこの点に注目し、フルに突っ込んでも歪みにくいサミングアンプを売りにしている・・まぁ、高級ミキサーの類いはライン出力でも+28dbくらいまでは歪まずに出力できるようになっている・・ここらへんが安ミキサーと違うところだな・・当然、サミングアンプも練りに練っている・・少なくとも、ラインアンプより先に歪むわけには行かない・・

 さて、デジタルアンプ。

 このサミングアンプ(をシミュレートしたロジック)部分で何が起こるだろうか?

 普通デジタルミキサーの場合、フルビット入出力を0dbとするなら、-16dbくらいで規定レベルとして使用するように各メーター等がセットされている。

 先ほどのアナログミキサーと同じようにセットしてみよう・・

 やはり1chだけなら何の問題もない。
 が、10ch分加算すると+20db・・
 さっき、規定を-16dbくらいにしてあると言った・・-16+20=+4・・うん?フルビットを4db分オーバーしている!

 そう・・普通の入出力用のデジタル機構を使っていると完全にオーバービット!歪みまくるか音にならない・・(DC化する可能性も・・)
 そこで、各社サミング演算の部分は通常の16や24ビットではなく、32や64と言ったダイナミックレンジの大きい演算が出来るように工夫しているのだ・・

 で、サミング演算の部分で歪まないにしても、黙ってそのまま次のステージに送ってしまうと、ラインアンプモジュールのロジックで歪む・・これは出力のダイナミックレンジの制限があるため・・

 だから、結局モジュール側を調整してやる必要がでてくる。

 ご理解戴けただろうか?(もうとっくに知っていると言う方は、突っ込みを入れるかお静かに・・)

 こうして考えると、サミングアンプの問題はミキサーをきっちり運用する上で極めて重要なファクターであることがご理解戴けると思う。

 にも関わらず、かほど重要なサミングアンプの動作状況をモニターできる機構はない・・なじぇ?

 アナログ回路の場合、オペアンプを加算アンプとして動作させるので、オペアンプの反転入力部が歪まない限りは0Vであることになっている。なら、ここに電圧を発生したらpeakLEDが付くようにしても大して金はかからないようにも思うのだけど・・如何なもんでしょうか?メーカーさん・・

 さて、デジタルミキサーでも、サミング歪みの問題は大きなテーマで、故に各社不自然にならないよう後段のステージで歪まないもしくは歪んで聞こえないように各種の工夫を凝らしているのだ・・

 オペレーション的には、同時に同じバスラインに加える信号数を減らすこと・不要なモジュールは絞ること・・フルアップ時にサミング歪みがでないようゲイン調整をすること・・などが要求されるわけね・・
基礎理論? / 2010/05/30 20:01
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はてさて、妙竹林なタイトルに「はて?何を言いたいんだ?」と思われた方も多かろうと思います。

先日、音響仲間と馬鹿話をしていてふと思ったことなんだが・・

トランジスタや各種アクティブ素子って、アンプリチュードリニアリティを出すため、A級動作だのAB級だのと色々な回路設計技術が発達してきたことは、回路設計をちょっとでもかじった人なら自明のこと。

が、増幅におけるリニアリティの追求なのよね・・

つまり、入力された信号波形の上端と下端がクリップしないで最大の出力を取りだし、そのリニアリティをどう確保するかでやれA級動作に限るだの最近ではD級とかE級とか色々な技術が駆使されているわけだ・・

昔はよくトランジスタアンプはB級動作なのでゼロクロス近辺の歪みが大きいとか口角泡を飛ばしたものだ・・

それはさておき・・普通周波数特性やトランジェント特性を測定するときはもっとも特性が良くなる近辺・・つまり定格の8割方の動作出力時で行なわれると思う。
歪み率なんかは定格出力で測定されているよね・・
まぁ、測定器の都合で周波数特性もそこで測定される。

が、パワーアンプに限ってはそんなにフルパワーばかりを使っているわけではない・・
ましてやスピーチ会場での利用ではね・・

で、小出力時の周波数特性やトランジェント特性などは?歪み率は?と気になってきたのだな・・

これ・・存外悪いんじゃないだろうか?

というのも、ミキサーなどでレベルマッチングに失敗したオペを見ていると例外なくハウリングの嵐になっているからね・・
これは周波数特性や位相特性が暴れてそこでハウっていると考えられる・・(もちろんそれ以外の原因も多々あろうが)

で、こうしたレベルステージ毎の特性って皆さん把握しておられるだろうか?
どうも各メーカーのサイトを見ても、素子メーカーのサイトを見ても乗ってない臭いのだな・・もちろん、ここで公開していると言うのが有ったら是非ご連絡を戴きたい。

ここら辺でも、素子を鳴らしきるオペレートが大事だとあらためて思うわけだ・・

また、レベルを絞り込んでも品位を保てる設計をされている機種は信頼されるよな、ともあらためて思う。

諸兄も自分のオペの時に頭の片隅にでも置いておいていただきたい。
基礎理論? / 2009/02/28 13:55
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