オーディオクリッピングとは何ですか

正直に言うと、オーディオシステムの世界は本物のジャングルのように見えることがあります。スピーカー、アンプ、および多くの専門用語は混乱を招く可能性があります。でも心配しないでください！今日は、オーディオシステムの最も困難な側面の 1 つであるアンプのクリッピングに取り組みます。このガイドを最後まで読むと、クリッピングとは何か、なぜクリッピングが発生するのか、そして最も重要なことに、スピーカーを良好な状態に保つためにクリッピングを回避する方法がわかるでしょう。バックルを締めて、始めましょう!

基本: アンプのクリッピングとは何ですか?

次のシナリオを想像してください。パーティーを開催していて、音楽が盛り上がっていると、突然音が途切れ始めます。低音はフラットで、高音は鮮明さを失い、全体的な音質は残念です。皆さん、クリッピングとも呼ばれるアンプのディストーションの世界へようこそ。

クリッピングは、アンプが処理できる以上の電力を再生しようとしたときに発生するオーディオ歪みの一種です。簡単に言うと、アンプが「ギブアップ」し、信号がその能力を超えた瞬間です。滑らかで丸い音波の代わりに、「クリップされた」または「平らになった」波が得られるため、「クリッピング」という名前が付けられています。

基本アンプクリッピングとは

なぜクリッピングが起こるのでしょうか?

あなたが混雑したコンサートに参加していると想像してください。音楽がうるさくて、あなたは友達に怒鳴っています。しかし、どんなに頑張っても騒音に埋もれて聞こえません。まさにそれがアンプの中で起こっているのです。

ボリュームを上げると、アンプは信号強度を高めるためにより強力に動作します。しかし、コンサートでの声と同じように、アンプが出せる音量には限界があります。最大パワーに達すると（またはパワーを超える信号を受信すると）、信号波形が歪み、クリッピングが発生します。

デジタルクリッピング

デジタルクリッピングは、アナログ信号をデジタルに変換するときと、デジタル信号に対してスケーリング、フィルタリング、ミキシングなどのさまざまな操作を実行するときの両方で発生する可能性があります。信号が許容範囲 (たとえば、16 ビット ADC の場合 -32768 ～ +32767) を超えると、範囲の下限または上限でハードクリッピングが発生します。まれに、整数の算術処理が正しくないと、整数のオーバーフローが発生し、予測できない結果が発生することがあります。実際には、デジタルオーディオ処理は、ビット深度が少なくとも 32 ビットの浮動小数点数を使用して実行されることがほとんどであるため、オーバーフローはほとんど発生しません。浮動小数点数を整数値に変換する場合、デジタルクリッピングが発生する可能性が高くなります。デジタルクリッピングでは、アナログクリッピングと比較して、元の信号の高調波がより多く生成されます。エイリアシングによって、分数調波や非調波倍音が発生することもあります。たとえば、単純な高調波信号 (周波数 1 kHz の正弦波) を対称的にクリッピングすると、その高調波と 1 kHz 未満の周波数の倍音の両方が生成されます。クリップされたデジタル信号が、自然なオーディオ信号と人間の聴覚の特性に最適化された適応型コーデックによってさらに処理されると、これらの人為的なコンポーネントがコーデックを「だます」可能性があり、その結果、クリップされた信号にまだ保存されていた有用なコンポーネントが失われる可能性があります。。ほとんどの専門家は、デジタルクリッピングがあらゆる種類の振幅制限の中で最悪かつ最も不快であることに同意しています。ソフトウェアで修正するのは難しく、プロのオーディオエンジニアリングではまったく受け入れられません。ただし、Ethan Weiner 氏によると、これは重大な過負荷の場合にのみ当てはまります。短期的な過負荷のレベルが数 dB を超えない場合、音質は依然として許容範囲内です。

デジタルクリッピング

アナログオーディオをデジタル化するときにクリッピングを回避する主な方法は、入力信号レベルを慎重に設定して、最も強力で持続時間の短いピークでも正しく変換できる十分なヘッドルームを提供することです。たとえば、欧州放送連合規格では、入力レベルインジケーターで表示される最大信号レベルがフルスケール変換限界より 9 dB (または 2.8 倍) 低いことを要求しています。この 9 dB のヘッドルームにより、従来のインジケーターでは表示されない可能性のある短いピークによる ADC の過負荷が防止されます。

アナログクリッピング

信号振幅を制限することは、あらゆるアナログ回路に固有の特性です。コンポーネント間の電圧は、供給電圧によって決定される値を超えることはできません (追加電圧と誘導性要素の一時的なサージを考慮して)。厳密な出力電流制限のある回路 (たとえば、連続動作電流保護機能のある回路) では、電流制限と電圧制限の両方が同時に有効になります。

アナログクリッピング

共通フィードバックのない回路では、信号の歪みは徐々に増加し、制限は緩やかになります。これは、真空管ギターアンプで特に強調され、出力信号は徐々に高調波（ディストーション効果）で豊かになり、極端なレベルでのみクリッピングに陥ります。共通のフィードバックを備えた回路では、ゲインは安定したままであり、出力電圧の広い範囲にわたって歪みは最小限に抑えられます。極端なレベルに近づくと、その後のクリッピングへの移行に伴って歪みが急激に増加しますが、この場合でもクリッピングはデジタルデバイスよりも穏やかです。生成される高調波のレベルは大幅に低くなり、非調和倍音は存在しません。クリッピングへの移行とクリッピングからの終了には、短期間の信号サージや共振チャタリングが伴う場合があります。フィードバックが一時的に開いたり弱くなったりするため、クリッピングから抜け出すことが困難になる場合があり、これにより信号がクリッピングレベルで「張り付く」ことになります。場合によっては (TL07x シリーズのオペアンプを備えたデバイスなど)、クリッピングは非常に不快な位相反転を伴うことがあります。負の極性の信号が下限に達すると、突然極性が変化し、極性が「固定」されます。上限。

スタジオ環境では、マイク、内蔵および外部マイクアンプなど、サウンド録音のすべての段階でクリッピングが発生する可能性があります。家庭環境では、クリッピングは可聴周波パワーアンプで最もよく見られます。クリッピング中の短期的な歪みは通常、主観的に許容できる値の範囲内であるため、気づかれないことがよくあります。短期間ではあるが定期的にクリッピングが発生する主な理由は、スピーカーの感度が低いことと、ピークファクター (平均録音レベルと最大録音レベルの比) が高いことです。これらの要因が存在する場合、クリッピングを完全に排除することは、非常に多くの出力電力を必要とするため、ほぼ不可能です。高品質の音楽録音のピークファクターは少なくとも 14 dB であり、これは最大パワーが平均の 25 倍を超える必要があることを意味します。 1 m で 83 dB の感度を持つスピーカーで 1 m で 96 dB の最適な音響レベルを達成するには、平均電力 20 W が必要で、最大値は 500 W です。実際の実験でこれが確認されています。 1 m で 84 dB の感度を持つスピーカーで 40 m² の部屋を発声すると、チャンネルあたり 250 W の出力を持つアンプが定期的にクリッピングに入りましたが、パーカッショントラックの平均出力は 2 W を超えませんでした。

インピーダンスを理解する: 目に見えないパワープレーヤー

インピーダンスは、アンプのクリッピングの議論で見落とされがちな重要な要素の 1 つです。インピーダンスとは何ですか? これは、デバイス内の電流がオームで測定される抵抗のレベルと考えてください。

オーディオシステムでは、スピーカーとアンプの両方に特定のインピーダンスがあります。インピーダンスが低いスピーカーは、電流の流れに対する抵抗が少ないため、アンプからより多くの電力を必要とします。アンプとスピーカーの間のインピーダンスの不一致は、クリッピングを引き起こし、さらにはオーディオシステムに損傷を与える可能性があります。

スピーカーのクリップによる悪影響

わずかな歪みは小さな問題のように思えるかもしれませんが、クリッピングが続くと、スピーカー、特に高周波音の再生を担当するツイーターに深刻な損傷を与える可能性があります。その理由は次のとおりです。

クリップされた信号には、元の信号には存在しなかった高周波高調波がさらに含まれます。これらの「特別な」高周波は、スピーカーのクロスオーバー (スピーカーの異なる部分に周波数を分配するデバイス) を介してツイーターに配信されます。これにより、ツイーターのボイスコイルが過熱して損傷し、最終的にはスピーカーシステムに永久的な損傷を与える可能性があります。

クリッピングを防ぐヒント: スピーカーを安全に保つ方法

それでは、最も重要な部分、つまりクリッピングを防ぐ方法に移りましょう。はい、それは可能です。プロのサウンドエンジニアである必要はありません。スピーカーを保護するための簡単なヒントをいくつか紹介します。

1. スピーカーを強力なアンプに接続します。

クリッピングを回避するには、強力でクリーンな信号を生成できるアンプにスピーカーを接続することが非常に重要です。高性能スピーカーを出力不足のアンプで使用することは、レースカーに芝刈り機のエンジンを搭載するようなものです。パフォーマンスが低下するだけでなく、スピーカーが損傷する可能性もあります。

2. 音量に注意してください。

クリッピングは通常、非常に大きな音量レベルで発生します。アンプを限界まで上げずに、音量をコントロールする必要があります。音が歪み始めた場合は、音量を下げてください。

3. クリッピング保護機能を備えたアンプを検討します。

クリッピング保護機能を内蔵したアンプもあります。これらのデバイスは出力信号を監視し、クリッピングが検出された場合は自動的にゲインを下げます。

4. 定期的なメンテナンスと機器の更新:

オーディオシステムを良好な状態に保ち、コンポーネントを更新すると、クリッピングを防止し、全体的な音質を向上させることができます。テクノロジーの進歩に伴い、機能が改善され、パフォーマンスの限界が向上した新しいモデルがリリースされます。クリッピングを回避し、最高の音質を確保するために、オーディオシステムを常に最新の状態に保ってください。

詳細: アンプクリッピングの技術的側面

アンプクリッピングの基本概念を理解したところで、技術的な側面を見てみましょう。最初に生じる疑問は、アンプがオーバードライブされるとどうなるのか、そしてこれがどのようにしてクリッピングにつながるのかということです。分解してみましょう。

アンプはオーディオ信号を受信すると、その信号の電圧を増幅してスピーカーを駆動し、音を作ります。各アンプには特定の電源電圧があり、それによってスピーカーに供給できる最大電圧が決まります。

ボリュームを上げるか、アンプが供給電圧が許容する以上の電力を必要とする信号を受信すると、アンプは過剰な電圧を供給しようとし、オーディオ波形が「クリップ」されます。増幅されるはずの信号の丸い山と谷が、あたかも信号が「刈り取られた」かのように切り取られます。

この歪みは、わずかな場合もありますが、音質を低下させ、スピーカーの一部のコンポーネントに特に悪影響を与える可能性があります。長期的には、継続的なクリッピングが取り返しのつかない損傷を引き起こす可能性があります。

インピーダンスの不一致: クリッピングの理想的な条件

考慮すべきもう 1 つの重要な側面はインピーダンスです。前述したように、インピーダンスは、電気デバイスがそこを流れる電流に対して与える抵抗の尺度です。理想的には、アンプとスピーカーのインピーダンスが一致している必要があります。しかし、そうでない場合はどうなるでしょうか?

スピーカーのインピーダンスがアンプのインピーダンスより低い場合、スピーカーはより多くの電力を消費します。アンプが必要な電力を供給できない場合、アンプは過負荷となり、クリッピングが発生します。一方、アンプのインピーダンスが低い場合、スピーカーが処理できる以上の電力を供給しようとする可能性があり、その結果、音が歪んだり、スピーカーが損傷したりする可能性があります。

さまざまなタイプのクリッピング: ハードとソフト

クリッピングにはさまざまな種類があることを理解することが重要です。ハードクリッピングとソフトクリッピングの 2 つの主なタイプがあります。

ハードクリッピング: これは最も深刻な歪みであり、アンプがその能力の限界に達したときに発生し、オーディオ信号のかなりの部分が遮断されます。これにより、サウンドに深刻な歪みが生じ、スピーカーが急速に損傷する可能性があります。

ソフトクリッピング: この形式の歪みはあまり攻撃的ではなく、チューブアンプによって生成される自然な歪みとよく比較されます。この場合、オーディオ信号の制限はより緩やかに発生するため、歪みが目立たなくなり、スピーカーへのダメージも軽減されます。ただし、ソフトクリッピングであっても、それが継続的に発生すると、時間の経過とともにスピーカーに損傷を与える可能性があります。

クリッピングにおけるオーディオケーブルの役割: アンプやスピーカーだけではありません

オーディオケーブルさえもアンプのクリッピングの原因となる可能性があることを知って驚かれるかもしれません。低品質のケーブルや長すぎるケーブルはオーディオシステムのインピーダンスを高め、アンプを限界まで押し上げ、クリッピングを引き起こす可能性があります。

適切な長さの高品質ケーブルを使用すると、信号クリッピングのリスクが大幅に軽減され、オーディオ信号の完全性が維持されます。

まとめ

それでおしまい！アンプのクリッピングは複雑なテーマのように思えるかもしれませんが、深い技術的知識は必要ありません。重要なことは、オーディオシステムの能力を理解し、それを超えないようにすることです。適切なサイズのシステムが成功の鍵であり、治療よりも予防が常に優れていることを忘れないでください。

このガイドに従うと、クリッピングを防ぐだけでなく、スピーカーの寿命と音質も大幅に向上します。したがって、（もちろん、責任を持って）音量を上げて、アンプのクリッピングを心配せずにオーディオをお楽しみください。