物理特性はなぜ聴感とあわないのか

「ラジオ技術」　83年7月号より

● 時間軸に関するひずみについて ● マルチパス・ゴーストひずみの提案 ● 従来の周波数特性と聴感が合わない理由

● 振幅に関するひずみについて ● ホーン形とコーン形の動作のちがい ● ホーン・スピーカはひずみが少ない

　周波数特性にしろ、ひずみ率特性にしろ、従来の測定法ではどうも聴感と一致しないケースが多いというのは、今や大方の意見です。結果の見方にオチがあるのか、あるいは、やはり新しい見方が必要なのか−−そういった根本的な問題に目を向けてみると、どんな局面が見えてくるのか、それがこの記事の眼目です。特に時間軸に関するひずみの問題は今後大いに注目すべきだと思います。（ラジオ技術編集部）

　オーディオの新製品が次々に発表されます。音楽再生ウンヌンのコピーがかならずついています。どのような技術と理論で音楽を再生するのか、と見てみると、「f特フラット、高周波ひずみを少なく」ということ以外には、大したことはいってないようです。
　f特とひずみだけでは音楽を再生できません。それらは再生の重要課目ではありますが、他の重要課目の点が悪くては駄目だ、ということです。
　このシリーズでは、今までなおざりにされていた重要課目を堤示したいと思います。そして皆さんとともに考え、音楽再生について及第点を取れるオーディオ技術を完成させたいと思います。再生のネックは、衆人の認めるところスピーカ・システムですので、これを中心に話を進めます。
　日進月歩の世の中で10年、20年前、いや50年前とさえ変らないのがスピーカです。他の工業製品では考えられないことです。
　音楽がわかれぱ、現在の高度な技術と工学手法、思考法等を活用して桁違いに音の良いスピーカ・システムができるはずです。

時間軸に関するひずみについて

マルチパス・ゴーストひずみの提案

　再生音は、聴けば誰もがすぐ「再生音である」とわかる独特の音色を持っています。
　システムにインパルスを入力して聴いてみますと、それぞれ「ピシッ」「ピチッ」等いろいろに聴こえます（第1図）。ほんとうは「ポツッ」というように聴こえるべきインパルスがダブったように聴こえるのは、何かの反射が原因ではないかと考えられます。
　ホーン・スピーカ内でマイクロフォンを移動させ、軸上の50点で取り込んだインパルス応答データをコンピュータで並び換えると、第2図のパターンが得られます。

↑第1図　いろいろなスピーカーのインパルス応答例
第2図　セクトラル・ホーン内の音波の乱れ→

　インパルス波が時間とともにホーン内を進む様子がよくわかります。支柱やセパレータに当ったインパルス波は反射して戻っています。
　このような現象で音楽の音も変ります。例えば高域がやかましくなる、やせる、弦やボーカルのニュアンスがわからなくなる、華やかに好ましく聴こえることもある、等です。
　これらの現象はテレビにおけるゴースト等に似ているので、マルチパス・ゴーストひずみと呼びたいと思います。微少な反射は、自己相関関数やパワー・ケプストラムの技術を使って知ることができます。時間軸データにおいてt時間離れた相関度が高いということは、その時間（距離）はなれたところの反射波の存在を示します（第3図）。同図の場合はマルチパス・ゴーストひずみ10％ということになります。

第3図　-20dBの反射おくれを伴うインパルスとの自己相関関数

　ところでマルチパス・ゴーストひずみがあっても、正弦波を使ったのでは聴いても測ってもわかりません。
　1kHzの正弦波は何重に重ねても1kHzのきれいな正弦波です（第4図）。スイープした時干渉によりf特に凸凹が生じますが、1％のゴーストひずみの場合で0.1dB以下ですから、記録計のペンの幅にもなりません。ひずみ（高調波ひずみ）がないのに音が変る−−従来の物理特性には現われないが、音楽再生を害するひずみが1つ見つかったわけです。このひずみは不快感を伴うとは限りませんので、今までチェックされなかったのでしょう。
　自己相関関数法を用いれば、入力信号がわからなくとも、出力信号だけでひずみの存在を知ることができます。第5図は番組音を用いて測定した例です。出力だけでひずみを検知する、これは人間が耳でしていることに似ているではありませんか？

第4図　正弦波ではわからないひずみ	第5図　マルチパスゴーストひずみを持つ 信号系を通ったFM放送ディスク・ジョッ キーの自己相関関数（1000回平均、6分間）

従来の周波数特性と聴感が合わない理由

　このような測定法で調べますと、ホーン・スピーカにおいては、前出の支柱、セパレータ以外に、音響レンズやちょっとした壁面の凸凹までがゴーストひずみを発生していることがわかります。ラジアル・ホーンも壁面が急に拡がる角でこのひずみを発生します。市販のホーンのほとんどすべてが不合格です。
　そこでマルチパス・ゴーストひずみのないホーンを開発しました。詳細は別の機会に発表させていただくとして、特性を第7、8図に示します。インパルス応答とトーンバースト波をコンピュータでたたみ込み積分してやれば、トーンバースト応答が求ります。

第6図　インパルス応答とトーン・バースト応答の例

第7図　インパルス応答と1波トーン・バースト応答の例

　第6図は第1図Aのスピーカのトーンバースト応答です。
マルチパス・ゴーストひずみでバースト波が増倍されます。振幅が同じでも波の数によって聴こえる大きさが異なるはずで、振幅と波の数から音の大きさを考えると、入出力の音の大きさの比は1波の方が大きいようです。
　そこで、各周波数について1波トーンバースト応答の計算をすると、第7図を得ます。さらに、応答波のパワーを計算してこれを入力パワーで正規化したものを、第8図に○印でプロットします。こうして得られた特性は、最も短い信号に対する聴感上のf特と考えてもまちがってはいないでしょう。
　理想的なシステムでは、これは持続正弦波による従来のf特に一致しますが、Aのようなシステムでは過渡音と連続音ではトーンが異なるはすですし、現実のソースにおいては平均的にハイ上がり気味に聴こえそうです。従来の物理特性（f特）と聴感とが合わない原因がまた1つ見つかったわけです。

第8図　長い信号と短い信号に対する周波数特性の違い

　インパルス応答と楽音をたたみ込み積分すると、楽器をそのシステムで鳴らした時のマイクロフォン出力に相当するものが得られます。
　実際のマイクロフォン出力による実験より良い点は、何回でも厳密に同じ楽音を使えることです。
　第9図にシロフォンの実験を示します。試作システムは、その楽音的特徴、マレットがシロフォンのプレートに当る衝撃性雑音の中に正弦波が成長して行く様子、楽音の包絡線、等のすべてを正しく伝えています。一方、Aのシステムでは失われる音楽情報が多いようです。ただ、華やかな音がしそうなので、これを良い音だとする人がいるかも知れません。

第9図　インパルス応答とシロフォンの楽音に対する応答

振幅に関するひずみについて

ホーン形とコーン形の動作のちがい

　f特重視の現オーディオ界では、3〜5ウェイの直接放射型システム、すなわちコーン型、ドーム型、平板型等が幅をきかせています。
　一方、ホーン型は特有の音の良さを持っているので、一部マニアには好まれていますが、くせが多いとして特殊扱いされたり、高忠実度再生には適さないものとさえされています。
　ホーン開口端による低域反射のくせはよく知られ、多くの研究もありますが、マルチパス・ゴーストひずみで述べたように、高域にも反射があり、くせを作っていたのです。
　このようなくせを取り去って行くと、ホーンの良さが生きて来ます。
　その良さはいろいろ考えることができますし、それらの良さは、他の方式では実現できないことなのです。その1つ、ひずみについて考えてみます。
　高調波ひずみは本レポートでいうところの「従来の物理特性」ですが、他の重要課目の点が良くなって来ると、これはやはり音の良さにつながります。ただし、音楽再生のためには、その量だけでなく質を評価しなければなりません。
　ホーン方式にはアンプよりもひずみの少ないスピーカができる可能性があるのです。
　電気音響変換器を制御方式によって分類すると、弾性制御方式のヘッドフォン、低抗制御方式のホーン型スピーカ、慣性制御方式の直接放射型スピーカー−−コーン型、ドーム型、平板型等−−の3方式となります。
　これらの3つの方式は、ボイスコイルで振動板を動かし音を出す点では同じように見えますが、ひずみの発生について考えてみますと、まったく異なった性質を持っています。第10図を見てください。
　直接放射型の振動部は質量が支配的ですので、周波数の上昇とともに動きにくくなります。したがって、その速度特性は右下がりになります。これに反して、ヘッドフォンは耳との間の空気密度が振動系インピーダンスを支配しますので、周波数が上昇するにしたがって動きやすくなります。ホーン型は、電磁制動とホーン負荷が十分掛かっている帯域では抵抗制御となり、その速度は周波数にかかわらず一定となります。
　次に、ボイスコイル振動板の変位について考えます。変位は速度を積分したものですから、コーン型は-12dB／octの右下がり、ホーン型は-6dB／octの右下がり、ヘッドフォンは一定ということになります。このように、速度や変位のf特は異なるのに、うまい具合に音圧のf特はどの方式でも平垣になるから不思議です。
　すなわちコーン型では、周波数が上がると速度が下がる代りにコーン紙が波長に対して相対的に大きくなり、放射効率が上昇する。また、ホーンは速度が一定で放射効率も一定。ヘッドフォンは、周波数に対して一定な変位がそのまま一定の音圧となる、という具合です。

第10図　３種の電気、音響変換器の周波数特性

　各方式の振動板の変位特性に差があると理解している人は少ないでしょう。また多くの人は、f特に差があったとしても、振動板の変位と音圧波形は相似形だと思っているようです。正弦波では同じでも、音楽信号では方式によって異なります。
　第11図はコーン・スピーカの出力を小音量から大音量でひずむまで変化させて音圧波形を見たものです。音圧のひずみ波形（上段）に納得できない人もおられるかもしれませんが、積分器を通して変位波形を作ってみると、これは飽和波形そのものであることがわかります。コーン・スピーカの場合は速度波形に-6dB／octのイコライジング、すなわち積分してやれば、変位波形となります（第10図参照）

第11図　出力音圧（上）と振動板変位。左の方が音圧小

ホーン・スピーカはひずみが少ない

　変位でひずみが発生するとしてシミュレートすると、第12図になります。高次になるほどひずみの差が大きくなります。音楽再生にとって奇数次のひずみが有害なこと、高次のひずみは値が小さくとも有害であること等は、よく知られています。
　このことから、安物のヘッドフォンでもなかなか良い音がすること、ホーン・スピーカが、くせはもちながら良い音を秘めていること等が納得できます。第1表にコーン型と直接放射型のひずみの差を計算してみました。ホーン型は直接放射型に比べて、振幅が少ないので、変位ひずみそのものも少ないことを考えれば、この差はさらに拡大されます。質が良いうえに量も小さくできるのです。

第12図　各種方式のひずみ波形とスペクトラム

　第13図は試作ホーン・スピーカのひずみ特性です。ひずみが測定系のノイズ・レベル以下になりますので、音圧110dBで測定していますが、通常の測定レペルではもっと少なくなります。2次ひずみは気にしなくて良いので、有害な3次ひずみについてみれば、通常リスニング・レベルでは0dB以下となり、聴こえないことになります。
　アンプの高調波ひずみは0.003％等少ないようですが、それは正弦波最大出力時の話です。アンプのひずみデータを調べてください。この試作スピーカなら、普通のリスニング・レベル1W以下では、アンプの負けです。特に微少な音になればなるほどアンプのひずみやノイズは増えるのに反して、スピーカのひずみは減少しますので、スピーカの完勝です。また、ひずみの質はホーン・スピーカの方が良いので（高次ひずみが少ない）、絶対量が同じではアンプの負けです。事実こういうスピーカを聴くと、ひずみのほとんどはカートリッジ、アンプで発生していることがわかります。（つづく）

第13図　試作ホーン・スピーカーのひずみ率特性