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失敗は成功のもと・・・だといいな

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アンプの歪はスピーカからそのまま再生されると思い込んでいましたが、一応確認しておこうと思って測ってみました。
イメージ 2こんな感じでアンプ出力の歪とスピーカの歪を比べます。
 
当たり前ですけど、アンプ出力の電圧歪が音圧の歪にそのまま変換されます。もちろん、スピーカの歪の限界の方が大きいので、それ以下の歪は見えません。

このグラフは、2次歪と3次歪をそれぞれ変化せて、電圧歪と音の歪を同時に測定したものです。パワーアンプ出力レベルは-15dBV。これくらいが一番歪が低くなるので。
イメージ 1

アンプの出力電圧の歪とスピーカの音の歪は異なるという考えがあるらしいです。なんでもスピーカ負荷においては、真空管の歪1%アンプでも、半導体の0.0002%アンプでも同じように電流歪が発生するらしいです。そしてこの電流歪こそがスピーカからの音の歪に関係するということなのかな?
これが本当なら面白いですね。
ということは、電流歪を下げることができるなら、スピーカの歪の限界を超えて低歪が実現できると??? うーん、本当ですか〜

なんだかんだでだいぶ引っ張りましたが、2次3次歪シリーズは、これにてお仕舞いです。

音楽では歪率の影響を聴き分けることは非常に難しかったですが、サイン波と高調波、別のサイン波との混変調歪は、0.1%以下でも聴き分けられます。(前記事参照)
高調波歪は音が上ずったように聞こえますし、混変調歪は低めの付帯音に聞えます。高い混変調歪もあるはずですが、聞こえにくいです)
どちらも不快な音かどうかは場合によるとしか言いようがありません。音に深みや豊かさを与えると感じる可能性は十分にありえると思います。

この次は、パワーアンプの負帰還(電流帰還、電圧帰還、ダンピングファイタ)とスピーカの音の関係を自分なりに調べてみたいと思っています。この電流歪というのも考えてみましょう。どうせやるならそれ用の色々と特性を変えることのできるパワーアンプを用意するつもりです。

いつもナイス!を下さる方々、こんな脇道ばかりのブログを読んで頂いてありがとうごいます。
ヘッドホンやスピーカにマイクを近づけて、出音の歪を見てみました。ヘッドホンは数mm、スピーカーは10㎝程の距離です。
ブログで公開するには恥ずかしいようなものですが、RH‐5Maと、W3-315Eを適当な箱に入れたものです。これを作業用机に置いてます。(今はこれが唯一のリスニング環境・・・)

イメージ 1

思ったよりもヘッドホン、スピーカの歪率は悪くなかったです。音量は普段聴きのレベルです。
 ヘッドホン:  2次歪0.05%、3次歪0.01%以下
 スピーカ: 2次歪0.1%強、3次歪は0.03%
 歪を付加した場合も、ちゃんと電気信号の歪のとおりになってました。

イメージ 2

ヘッドホンの場合、こんな測り方をすると周波数特性がフラットにならないようで、2kHzは1kHzの3倍です。音の歪率が入力の歪率より高く出て、1日原因を考えてしまいましたよ。


ところで、この実験をしていて、面白いことに気が付きました。

スピーカーからサイン波を出すと、左右スピーカに同じ音を入れても、音像が定位しませんね。ぼわーと広がってます。片方だけに入れても、どっちから音が出てるのか分からないくらいです。(以下すべて左右同信号の場合)
 
で、1kHzサイン波に歪を入れるとどうなるか、面白いことに、3次歪の0.1%でかなり音像ができてきます。2次歪なら1%ですね。歪で音が上ずった感じなんですが、それが定位を助けます。といっても、音楽の場合の定位感に比べるとかなり変な感じですが。
 
ということは、倍音を含む音なら定位するのかな?
 
そこで、1kHzの矩形波に変えます。(矩形波は奇数次の高調波)
これはセンターに定位するような気がします。でも耳の場所による違いが半端ないですね。2次歪を加えても(と言っても最大3%ですが)、音色には影響がないように感じます。マスクされるんでしょうね。
 
では、高調波関係にない複数のサイン波は?  1kHz、1.25kHz、1.6kHzで実験しました。(WGの選択肢で1kHzから順番に)
これは、定位が決まったかと思うと外れて、音像がはっきりしません。なんか微妙です。そして、歪を加えると、周波数低めの混変調歪が変なことに定位感を助けます。2次歪で0.1%、3次で0.03%で混変調歪の検知限界です。
 
次に、1kHz,1.25kHz,1.6kHzの矩形波を混合します。
センター付近に定位感はあります。歪の影響は混変調歪の付帯音として現れます。今度は定位の邪魔になります。色んな方向から汚い付帯音が飛んできます。この場合は、2次歪の方が付帯音が大きいです。検知限界は、2次歪で0.5%、3次で0.1%くらいですね。
 
さらに、ホワイトノイズを加えます
ここで、歪に関して意味のありそうな聴感上の違いがありました。
ホワイトノイズ自体はセンターにきっちりと定位します。
3次歪を1%を加えると、川の流れ(ホワイトノイズですが・・・)が、よく聞こえるようになります。このアンプを通すと、それまでただの川のせせらぎだったものが、にわかに実態を持ち、川の大きさや水量、速さまでが感じられるようになるのだ!
これって、アンプを変えると、聞こえなかった音が聞こえるようになるってやつでしょう? ねっ?!   実際は混変調歪だろうと思いますけどね。。。
時間をおいてもう一回やると・・・やっぱり気のせいかも。ははは。
 
とにかく、特殊な音であれ、2次で0.1%、3次で0.03%以上の歪は聞こえるってことです。脳で聴く音楽じゃなくて、純粋に音の話ですよ。音楽のような複雑な音では分かりにくいです。でも、これを実験してしまうと、歪の多いアンプはちょっと嫌かも。

もう一つ、サイン波では耳の位置ですごく聴感が変わるんですが、ホワイトノイズを入れるとそうでもないです。音楽では少しの耳の位置の違いは気になりません。これも音楽で変化が分かりにくいことの証明ですね。

あっ、そういえば、パワーアンプの歪を忘れてました!
実験に使ったのは自作の真空管プッシュプルアンプです。簡単に測ってみると、測定に使った音量(0.02Wくらい?)だと、2次歪、3次歪とも1kHzで0.02%ですね。結構いいじゃないですか(出力2Wだけど)。上の結果に与えた影響はそんなに大きくなさそうです。
マイクは EMM-6 という測定用のものです。マイク自体の歪率のデータは見つけられないのですが、アンプ+スピーカより小さいと思います。

あくまでひょっとしたらですが、アンプの音としては、おとなしい音ほど、実は正しいのかもしれません。情報量が多いとか、生き生きしているとかいうのは作られた音なのかもしれない…と今回の歪の実験で思いました。(もちろん、周波数特性の悪いのは論外) 好みは別としてって話ですが。
結局、自分の駄耳を証明しただけに終わりました〜 今、YouTubeでHahnのミックスリストを流しながら書いています。時々、歪のツマミを弄ったりしてますが、全然わかりません。歪が3%でも0.01%でも変わりなく綺麗で感動的ですね。
PCはちょっと横にあるのですが、定位はスピーカの間じゃなくて、画面の彼女の顔ですよ。僕の脳っていい加減…
 
ケースに入れても、特性は変わってないですので省略します。常用するわけでもないので、パネルの加工も気合が入らず、いい加減な仕上りです(まあ、気合入っても大したことなんですが…)

イメージ 1

相変わらずのごちゃごちゃな配線です。気をつかえばもう少しノイズが下がるのかもしれませんが、入力ショートならヘッドホンで何も聞こえません。‐94dBV  20uV(20kHz)です。
 
本当に発振器をつけましたよ。400Hzです。これ、ちょっとうまくないですわ〜 切り替えると、結構な音量でぴーー!ってきますもん。音量を完全に同じにするには便利なんですが。
 
発振器の回路は、これ
http://cds.linear.com/image/resized/472_circuit_1.jpg

http://www.linear-tech.co.jp/solutions/1623を使いました。ただし、オペアンプはいつものNJM4580です。電源電圧9Vですが、LT1004の4.7kΩだけ半分にして、歪は0.3%にとどまりました。発振電圧は0.95Vrmsくらいです。OPA2134も試しましたが変わらないです。定数の最適化が必要なんでしょうが、面倒なんでこれで終わりです。

 

レベルメータも付けました。200mV フルスケールの1000円くらいのパネルメータです。ここhttp://www.tij.co.jp/jp/lit/an/jaja204/jaja204.pdfの図1の絶対値回路を使って、パネルメータで電圧を表示してます。

 
さて、録音したものをビデオにしてみました。興味のある方は聴いてみて下さい。
MP4ーH.264で音声の設定は192kbps44kHzです。16kHzでスパット切れてますね。もっと良いのがあるのかな? 
 

今気づいたんですが、途中でPCの音がポロンとか入ってますね。ははは。
ひょっとして、歪なんて分からないくらい、変な酷い音なんじゃないかと不安です。そのときはこっそりと教えて頂けると助かります〜
 

皆さん、DAC自慢、アナログプレーヤとイコライザ自慢、プリアンプ自慢、しませんか〜

前回は、歪を聞き分けられないことに興奮したのか、調整も測定もいい加減でした。
特性を取ってみたら、ヘッドホンアンプが微妙に発振していたようです。分からないものですね。(駄耳の証明ですか〜)オペアンプをOP275からNJM4580に取り換えて、発振は止まりました。
NFB抵抗に並列の位相補正Cは手持ちのマイカ22pFを使用。周波数特性は、-3dBが150から300kHz(負荷と歪の調整により変わる)となりました。50kHzまでは確実にフラット(0.1dB以内)です。
で、気を取り直して、測定と試聴をやり直しました。結果はいかに?

まずは特性から。
2次歪最大歪時と3次歪最大時、そして最小歪時の歪-入力特性です。(入力1kHz 0dBV時、負荷は抵抗をつなぐのが面倒だったんでヘッドホンRH-5Ma、出力は最大ゲインただし1Vは超えない )
最大歪は、2次で3%、3次で2〜4%です。最小歪の設定なら0.002%。
この間で自由に調整できます。(詳しくは前の記事を)
 イメージ 3
 
歪最大時と1%時、最少時のスペクトラムを示しておきます。3次歪は実際、奇数次歪と言うべきかも、ですね。(入力1kHz 0dBV時、負荷HP、出力1V )
60Hzの高調波は無視して下さい。歪最少時はADCの歪が影響するようになってきますので、ノッチフィルタで基本波を除きました。
イメージ 2

周波数特性です。
負荷が23Ωのとき、200から400kHzが少し素直じゃないですね。何でしょう?
イメージ 1

入力ショート 音量VR最大時の雑音は、15uV (20kHz LPF) でした。
左右のクロストークはスペアナで見れば、2kHz以上で見えるが、電圧計では20Hzから20kHzまで-85dB以下です。


こんだけ、先入観入れまくって(?)、さて、試聴です。
PCの0dBが0dBVの入力になるようにDACに出力レベルを調整した後、PCからファイルを再生し、UR22mkllから出力し、アンプに入れ、ヘッドホンRH-5Maで聴きます。(しょぼくてすいません・・・)

最初に、私の駄耳度を確認しておきます。

このサイト http://www.kenwood.com/jp/products/audio/special/hi_resolution/content03.html に、3種類のformatのファイル(192kHz24bit、44kHz 16bit、MP3 128kbps)が置いてあるのですが、ブラインドで試験すると、この差が私にはわかりません。これくらい駄耳ですね(苦笑)
最近のDACは16Bitの場合も補間しているんですかね。そうなら、なおさら違いは判らないでしょうね。とはいえ、MP3 128kbpsでも分からんって、ホント、駄耳にもほどがありますなあ。というわけで、下の結果もこの耳が基準ですから、そのつもりで読んで下さい。

それでは、試聴です。前置きが長かったですね。すみません。

まず、サイン波を聴いてみます。
これはさすがに私でも分かりますね。
2次歪は、0.5から1%を超えると高い音がくっついてくる感じです。
3次歪は、信じられないですが、0.1%でもわかります。こちらは少し音が高くなったように感じます。

次に音楽を聴いてみます。
うーん、ブラインドで確実に言える差があるかと言われれば、やっぱりないですね。特に楽器や声の音色は変わりません。

もし、ブラインドでなくて、確実でなくてもいいというなら、3次歪を付加すると、明るい、元気、うるさいという雰囲気? あるいは、重心が高いとか?そんな感じです。2次歪はもっと差が少なくて、ほとんど分からんです。でも先入観からか、歪が少ないと、音が大人しい印象があります。

結論、ちょい聴きでは、2次歪3%、3次歪3%とも、検知できないです。聴き方のコツとかあるのかもしれませんが、一般の被験者でブラインド試験をしたら、そう簡単には有意にはならないと思います。
気分が良いとか、心配事があるとか、疲れてるとか、適度に酔ってるとか、家人に気兼ねしているとか、自作アンプだとか、そういう心理効果の方が大きいんじゃないかなあ〜

歪を付加した音を録音してみたので、誰かに聴いてもらいたいですが、著作権の問題もよくわからないので、難しいですね。自分の演奏ならいいんでしょうが、人に聴かせられるものでは・・・(苦笑)

まだ、最終結論には早すぎると思っています。音というのは、瞬間切り替えで聴くものではないらしいです。じっくりと聴いていると、違いがわかるとか。
しばらく、歪最小で聴いてみます。耳が慣れてから歪を変えてみると違いが分かるかもしれません。装置も耳もエージングしないといけませんしね。
 
しかしながら、これはちょっとつまらん結果ですね。がっかりです。
真空管の暖かく生き生きとした音から、半導体のカチッと正確で無味乾燥な音まで、任意に調整できる画期的なアンプになるはずだったのに〜(笑)
 
ひょっとしたら、他の装置がしょぼすぎて、違いがマスクされてるのかもですね。
例えば、ヘッドホンの2次歪が多いなら、アンプの歪はわからないですね。
さっさとこれを完成させて、次はヘッドホンの歪も測定しようと思います。
あるいはオペアンプを多用しているので、オペアンプの音に汚染されたとか・・・(実は信じてないですけど。ひょっとして、その先入観が悪いのか。。。)


歪を変えたときのレベル合わせのための発振器とレベルメータも動作確認済みです。あとは、ケースに組み込んで、入力切替と歪付加回路をスルーするスイッチを付けると完成です。
2次歪回路、3次歪回路(指数歪回路と言うべきかも)、ミキサー、ヘッドホンアンプ(兼バッファー)を一枚のPCBに組んで、音を聴いてみました。

ヘッドホンアンプの回路は、TechnicsのClassAAにしました。たかじんさんが、解析・製作していて有名です。http://nw-electric.way-nifty.com/blog/hycaa.html
たかじんさんのHyCAAアンプでは真空管の前段アンプで味を出しているということなので、コンセプト的にはかぶってしまいました。私の場合は、半導体で真空管の音からトランジスタの音まで調整可能にする試みってことで、ご勘弁下さい。
 
最終的に全体の回路図はこうなりました。
ミキサー部分の入力抵抗10kΩは、コンデンサに対してちょっと小さすぎる感じですが、20Hzで-0.1dB (位相回転10度)くらいですので良しとします。
3次歪回路とミキサー回路のオペアンプは、NJM4580。ヘッドホンアンプの電圧増幅段はOPA2134、電流供給段はOPA275としました。6月28日追記 OPA275は微妙に発振していました。NJM4580に変更です。
NFB抵抗に並列の位相補正Cは今は未実装です。

イメージ 2

電源は、ごく普通の無帰還安定化にしようと思いましたが、ツェナーの代わりにTL431を使用しました。(またまたyamazaki_planさんのアイデアを借用しています。http://blogs.yahoo.co.jp/yamazaki_plan/35078884.html
平滑Cは出番がなく数年間放置状態だった47,000uFを使ってみました。えーと、私は無信仰ですので、コンデンサの銘柄による音の違いとか、信じなければ聴こえないはず(笑) このでかいコンデンサのせいで空いてしまったデッドスペースには、なぜか手元にあったコモンモードチョーク2mH + 1000uFを突っ込んでおきました。(コモン、ノーマルとも多少の効果はある・・・よね?)
完成するまではケースには入れずに動作確認します。
 
イメージ 1


とりあえず、机の上のこんな配線ですが、音を聴いてみました。
最初、歪調整のVRを回しながら聴いても、全然違いがわかりません(苦笑)
30分くらいしてようやく3次歪については、違いを見つけるコツがわかりました。ピアノの強い音などで歪むのが確実に分かります。ちょっと付帯音が聞こえるとも言えますね。6月28日 追記 発振のせいかもしれません。
音色の違いとか、響きの違いはあると言えばあるような、ないと言えばないようなというレベル。一瞬、違いが聞こえたような気がするが、冷静になって聞き直すと気のせいって感じです。

3次歪の場合、違いが確実に分かると言える歪の設定でのスペクトラムが下図です。
イメージ 3

WGで出力0dBを出して、歪回路の音量VRでWSへの入力が過大にならないように調整してます。WS側は0dBVが0dBになるように、入力VRを設定済みです。
THDの表示は何かおかしいので無視して下さい。
3次歪が約-57dBですので、0.14%でしょうか。うーん、ちょっと低すぎですか? 実際には、WGの0dBより少し大きい音が入っているのかもしれないですね。
(相変わらず50Hzと奇数次の高調波が入ってますが・・・無視して下さい)

こちらは、1kHz -6dB と1.6kHz -6dBをWGから出力したときの、混変調歪。
 イメージ 4


それでは、続いて2次歪です。
どうにも不思議なんですが、2次歪最大設定でも、全然違いがわからないっす。なんという駄耳でしょう!  
2次歪は、耳に心地よくて、音楽が生き生きして、響きが豊かなはずなんだけどな〜 どうなってんだろう?

そのときの歪はこのレベル(。だいたい-48dBですので、0.4%くらいでしょうか。(ブレッドボードで実験していた時より、歪が少ないですね。後で調整してもう一度実験しよう)
イメージ 5

同様に、混変調歪。
イメージ 6
 
ちなみにこれが歪設定の最低レベル。1kHz -6dB と1.6kHz -6dBをWGから出力。だいたい-80dB  0.01%ですね。
イメージ 7



結論としては、3次歪は比較的少量でも付帯音として耳ざわりであり、慣れれば聴き分けることができるようです。ただし、高レベルの音だけですね。
音色の差とか、響きの差とかは、私にはわかりませんでした。
2次歪は0.4%まで全然、全く違いがわかりません。
 
ダブルブラインドの試験でもないので、まあ、その程度の話です。音というのは、ちょい聴きじゃあわからないもんだとも言いますしね。
後で録音してYouTubeにでも上げましょうか??? waveファイルが置ければいいのに。
 
ある調査では、一般の人の歪検知限界がTHD3%、耳の良い人で1%だそうです。

 
ところで、2次歪回路について、どうして歪を変化させることができるかを考えています。帰還抵抗を外して、裸ゲインを見るってことができないのがつらいところです。でも、R2=20kΩの時(最小歪時)、もしNFBがなければ、FETが2mS x 負荷20kΩで単純に40倍、 32dBですから、これくらいの帰還は掛かっているのかな。また、この回路はほとんどソースフォロアとも言えます。2SK30Aのソースフォロアの歪が-80dBでしたので同じですね。
イメージ 8
 
電流帰還っぽくも見えるので、シミュレーションで電流をみてみました。上の図の電流値はAC電流です。
(けど、分からん・・・ こんなんじゃ帰還量が少なすぎるような。電流増幅はしてないからこんなもんか)
 
一方、歪最大時(R2=100Ω)、負荷は500Ωと言えるので、FETが2mS x 負荷500Ωで単純に1倍ですから、帰還はほとんどなしです。これだと、歪が1%くらいになるのは自然でしょうか。
自分には、帰還量をコントロールして歪を可変にしているというよりは、ソースフォロアとソース接地の混合状態で、その混合比を変化させているように見えるんですけど、こんな考え方は変でしょうかね(笑)

 

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