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ホームシアター&B級ピュアオーディオ ミラクルサウンドWORKSブログです。

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位相とサラウンドのお話.1

(●久保ちゃんに贈る記事です)

ホームシアターのサラウンド音響を成功させるためには、大切なポイントがいくつかあります。
その中でも特に「位相」の重要性にふれてみたいと思います。
位相とオーディオの関係をある程度理解できれば、サラウンドの機器選定や設置で悩んでも、もしかしたら問題解決の糸口にもなるかもしれません。

ところで、その「位相」ちゅうのはいったい何なの?
単純に「位相」というキーワードで検索しても、専門用語が飛び交う説明ばかり‥いったいなんのことやら、素人にはチンプンカンプン。知りたいことは、その位相とやらがオーディオとどんな関係があるのか?なんですけどね。

素人にとってもわかり易いサイトがあれば、これを読め、で片付くんですが、、。
ん~、サラウンド音響に絡めて、分かりやすく説明するにはどうしたらいいだろ~?‥それで一週間悩んじゃいました。
自信はありませんが、とにかく始めてみますね。

極端な事例その1
ステレオ‥通常、二つの全く同じスピーカーが右と左に対称に置かれます。

普通、歌手の声は2つのスピーカーのど真ん中から聴こえます。
バランスを左いっぱいにすると、左のスピーカーから声が聴こえます。
バランスを序々に右にずらしていくと、、歌手の声は 左→真ん中→右 へと、歩いて行くようにピンポイントで移動していきます。

ここで、右スピーカーだけ、スピーカーケーブルの+と-を逆に接続し(‥これを逆相接続と言います)
この状態で聴いてみると、
声はど真ん中から聞こえず、ぼやけた感じでどこにいるか分からなくなります。
バランスを左いっぱいにすると、当然のことですが、左のスピーカーにいます。‥いるのがハッキリと分かります。
バランスを序々に右にずらしていくと、、どこにいるのか分からなくなって、、右いっぱいになると、まさしく右のスピーカーにいるのが分かります。

これは、右スピーカーの位相が180度ずれた(逆相)ために起きる現象です。
左スピーカーだけ、あるいは右スピーカーだけ単独で鳴らしても現象はおきません。
左右スピーカー両方とも逆相につないで両方同時に馴らしても、この現象はおきません。
片側だけ位相がズレ、かつ、左右スピーカーの音が合成された場合のみおこる現象です。



極端な事例その2
それでは、5.1CHのケースでは?

右前方から来た自動車が、右横を通過して、右後方に走り去ります。
もし、サラウンド右スピーカーを逆相に接続していたら?‥おそらく、右横あたりでは、ぼやけてどこにいるのか分からない状態。そして走り去った自動車の音が右後ろから聴こえる。そんな感じになると思います。

以上、極端な事例と記したように、位相というものが180度ずれるとどんな感じに聴こえるのか書いてみました。
とりあえず今日のところは、位相がずれるととんでもないことになるかもしれない。とだけ分かってください。

(理論的には、180度逆位相の場合、打ち消しあって、音は聞こえなくなる。と説明すべきなんですが、非理想的ではない現実の部屋で起こる事を書いてみたつもりです。‥理屈に五月蝿い方、突っ込みはどうぞご遠慮くださいね)



ちと疲れたので続きにします。
(ちゃんと説明できるかな~、不安です。)


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位相とサラウンドのお話.2

位相がずれると、サラウンドがやばそうです。
どんなふうにやばいのか?‥もっと分かりやすそうなサイトを見つけてきました。

●ステレオを逆送接続したら、どんな音になるのか、‥図解で説明したサイト

●こんなチェック信号を見つけてきました。
‥スピーカー位相チェック
 ↑このページに飛んで、下の方
 同相 (inphase.wav / 187KB)
 逆相 (outphase.wav / 188KB)
それぞれクリックして、音の違いを聞いてみてください。


事例その3
マトリクスのよけてみな!のシーン
link7_dvd_revew_matrix_1.jpg
弾丸が、リスナー耳元をかすめて飛んでいきます。
省略してますが、簡単な話、↓こんな具合の音量差で移動感を作っている訳ですね。
弾 丸
 ↓  センタースピーカー100% サラウンドL/Rスピーカーの合成音  0%
 ↓  センタースピーカー 50% サラウンドL/Rスピーカーの合成音 50%
 ↓  センタースピーカー  0% サラウンドL/Rスピーカーの合成音100%

前後のつながり、、センタースピーカーとサラウンドL/Rスピーカーとの間に位相差があったら‥弾丸はリアルに耳元をかすめていきません。
サラウンドL/R間に位相差があると‥弾丸は真後ろに抜けていかず、どこかへとっ散らかっちゃいます。

全チャンネル同一スピーカーを使っても、位相がずれてしまうと(大なり小なりの差こそあれ)上の説明のようになってしまうのです。
それでは、目で追えるほどリアルな弾道感なんて得られないのです。
せっかく頑張って揃えたシアターシステムも、位相のことを全く無視すると、、こんなはずでは、、となってしまうのです。

しつこいけど、もう一回言います。
AVアンプの内蔵グライコ(あるいはパライコ、周波数補正をする機能)を使い、スピーカー一本一本ずつ単独で鳴らして、音色を個別に補正しても、それだけでは足りないのです。チャンネル間の位相まで整える必要があるのです。
位相ズレが大きいと、‥目で追えるほどの弾道感のような「つながりと移動感」そんなサラウンドの醍醐味は味わえません。




位相がずれる要因はいろいろあります。スピーカーケーブルの+と-を逆に繋いでしまう、そんな例だけではありません。
その要因とは?

それを説明する前に、つまらないお話も少し。

位相位相って言うけど、その位相っていったいなんですか?
検索してみると、、Wikipediaにはこう書かれています。

たとえば、時間領域における正弦波を
y(t) = A sin(ωt + α)
とすると、(ωt + α) のことを位相と言う。特にt = 0 における位相 α は初期位相と呼ばれる。あるいは単に、この正弦波の位相は α であるということも多い。いずれの定義を採用するにしても、上記の式のA: 振幅、ω: 角周波数、α: 位相の3つのパラメータにより、正弦波は完全に記述される。


(´~`ヾ) ぽりぽり・・・さっぱり解りませんね。
ややこしい話は嫌いです。

音って、見えない波です。単純にそう思ってください。
030303030303-04.gif
縦が音の大きさ、横は時間軸。打ち寄せる波のようです。

もう一つ同じ信号を発生させます。ただし180度ずらします。(A-B間は360度)上のグラフで波を2目盛横にずらします。
そして、その2つの信号が合成されると、
位相打消し
理論的に音量ゼロとなるんです。

位相の説明になっていないけど、位相干渉とはこういうものなんだと思ってください。

続く

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位相とサラウンドのお話.3

もうちょっとだけお勉強しましょう。オデオがもっとおもしろくなりますから。

音って見えない波です。
030303030303-04.gif

そして、周波数によって、波の間隔は変わります。波長と言います。
参照URL‥周波数と波長 (爆裂無線研究所さんより)

上の波では、A地点からB地点までが1波長。
低音になるほど、波の間隔(波長)は長くなり、高域になると波の間隔(波長)は短くなります。
周波数(Hz)は一秒間の振幅数を表します。
例えば、340Hzという周波数の場合、A-B間(1秒)に340個の山谷(振幅)があることになります。

また、具体的な波長の長さは?
音速は340m/秒(温度、気圧は無視)として、
340mを340回で割って、‥340Hzの音の1波長は1mの計算になります。

同じ計算で、いろんな周波数の一波長を計算すると、
85Hzでは4m
170Hzでは2m。
680Hzでは、50cm。
1360Hz(1.36KHz)では25cm。
であったりします。
よく耳にする「時報」の周波数は440Hz。音の高さがイメージできると思います。
(時報‥ポッ、ポッ、ポッ、ピーン。ポッは440Hz。ピーンは880Hzです。)
340÷440≒77cm 77cmの見えない波がうねっているのです。


波長の話はとりあえずここまで。勉強はやっぱりつまんないもんね。

とにかく‥音は波。‥波は強弱を持つ位相。‥位相は長さも持つ。‥その長さは周波数と相関する。と考えると色々と解釈しやすいはずです。





話を戻します。‥位相がずれると音がまずい。
では、位相は何故ずれるのか?

一つの要因はスピーカーからの距離だった訳です。

ステレオは右スピーカーと左スピーカーの合成音です。
その音は、ありとあらゆる位相を持っています。
仮に、リスニングポジションから左右スピーカーの距離を不均等にすると‥位相の合わない部分が出てしまうということなんです。合う位相もあるけど、合わない位相も出てくる。そして、合わないところの音は聴こえ難くなる。

左右の位相を一致させるためには、リスポジと各スピーカーは、「等しい距離」が絶対厳守なのです。

う~ん、わかり難かったらごめんなさい。
とにかく、位相がずれる原因の一つはスピーカーとの距離なのです。

だから、理想的スピーカー配置として↓こんなのがある訳ですね。
0101010101_20100131225143.gif
スピーカーは全て等距離に置く‥こんなの普通のお家じゃ無理ですから。

(位相制御できるアンプがあるじゃないか?! と言う突っ込みはまだ早い)


さらに続く。

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位相とサラウンドのお話.4

今冬最強の寒波来襲!
今日の茨城の最高気温は6℃。明日の最低気温はなんと-5℃の予報。
なんてこったい、寒すぎッス!
北海道の-30度と比べたら、「んなの全然たいしたことない!!」って、叱られそうですが。
されど、慣れない寒さは堪えますよね。皆さんも体を壊さないように十分に暖をとってくださいませ。体温が落ちると抵抗力もめっさ落ちますから。


さてさて、位相のお話はもちょっと続きます。が、だんだん飽きてきたので、サクッと行っちゃいます。

位相ズレの原因として、
①各スピーカーとリスナーとの距離が等距離でない場合。
を挙げました。

他の原因は?
壁、天井、床からの反射があります。
姿のないスピーカー、仮想スピーカーが出来て、新たな音が発生します。合成され位相差を生み出します。反射を繰り返すうちにエネルギーは減衰し影響力は弱まりますが、一時反射‥このポイントが特に肝要。吸音したり、拡散させたり。雑誌やネットで、そんな対処方法をよく見聞きします。
また、ホームシアターは響きデッドがよろしい。とか、スピーカーはリスナーに対して正面を向けたほうが音の移動感を楽しめる。なんて言われるのもこの辺りから来ているのかもしれません。

さらに、他に原因は?
電気も位相を持つ波です。電気信号は、プレーヤーからケーブルを通りアンプからスピーカーへ。チャンネル毎に分岐伝送され、伝送、変換、フィルター、増幅、という経路を幾度もたどります。その中で位相干渉が起きていることも。
ただ、プレーヤーやアンプの中身はどうしようもないし、気にしてもはじまらない。(だったら高級機へどうぞ、です。)
でも、信号ケーブルの取り回しには気をつけてほしい。丸めてゴチャ、とか厳禁です。電源ケーブルと信号線を束ねるのも厳禁。お互いが干渉しないように離す、あるいはクロスさせる、など、気をつけたいものです。
伝送1本で清むHDMIケーブル‥デジタルだから大丈夫だなんて妄想だと思う。ものによってに定位・移動感に明らかな差が出たりします。‥これ実体験。
これも位相管理の問題?かもと思いつつ、、デシタルなのに音が変わる理屈はよく分かりません。あしからず。



言い忘れてましたよ。今回の位相の話、実はスピーカーに的を絞ってお話するつもりでした。

そして最後は、クロスオーバーに関して。
スピーカーを自作する(した)人なら「あれね。」と分かります。
単純に映画を楽しみたい、だからホームシアターを作ろう。から入ってきた人には、「なんじゃい、そのクロスオーバーちゅうのは?」かもしれません。

スピーカー‥スピーカーユニットが一つしかないものをフルレンジスピーカーと呼ぶのはご承知のとおり。
高域、低域用にとユニットが二つに分かれたものが、2ウェイスピーカー。さらに、その間に中域ユニットを加えると3ウェイと。(くどくてスミマセン)
複数ユニットを使うと、再生帯域が被ります。2ウェイだったら、低音ユニットの上のほうと高音ユニットの下のほう。
被ると周波数が凸凹します。それを平坦にするために、スピーカーに中に「クロスオーバーネットワーク」というものを使い、不必要な周波数帯域をカットします。
詳しくはこちら→オーディオ基礎知識 パッシブ・クロスオーバーの話を参照。

注目してほしいのは、そのページ真ん中からやや下に、■スロープ特性 とあります。
6dB/oct
12dB/oct
18dB/oct
実は、それぞれ、(クロスオーバー周波数付近で)位相が90度変わっちゃうんです。

クロスオーバーネットワークのスロープ特性が違うと位相が違う。

どんな時に問題なのか?
例えば、メインスピーカー2本と違うセンタースピーカーを使うとします。
メインスピーカーのスロープ特性が6dB/octなのに、センタースピーカーのスロープ特性が12dB/octだったら?
‥位相が90度ずれていることになります。
(クロスオーバー周波数付近において)

ついでに言っちゃうと、ユニットの素材、大きさでも位相はどんどん変わります。スピーカーユニットを収めるエンクロジャーボックスの大きさ、形状でも違ってきます。密閉式かバスレフかでも変わってきます。
高域を再生するユニットがわざと逆相で接続している場合もあります。
クロスオーバーネットワーク回路をカタログに記載している製品もほとんど皆無です。

これじゃあ、なにがなんだかわかりません。

同じメーカーのスピーカーでも設計が違えば、ネットワーク回路は違うでしょう。
同じシリーズのスピーカーでも、大きさが違ったり、ユニットの口径も違ったりする。
同じスピーカーユニットを使っていても、クロスオーバー周波数が違うかもしれない。


だから、
「全てスピーカーは同一が理想」(配置も等距離)なんて言われるんです。

現実として、ホームシアターユースとしてラインナップされている同一シリーズだったら、クロスオーバーは統一されていたり。ユニットの口径が異なっていても位相管理はされているようなので、問題はほとんどないのですが。
ただ、一つ前のシリーズのセンタースピーカーを使ってみたい。‥そんな場合は、カタログのクロスオーバー周波数を眺めてほしい。もしかしたら違っていたりするかもしれません。可能性は低いけど、並べて聴いてみたらやばい、、なんてこともあるかもしれません。
違うメーカーのリヤスピーカーを使う。なんて個人的に禁止です。
ついでに言っちえば、サラウンドスピーカーとサラウンドバックスピーカーは絶対に同じスピーカーを推奨します。違うスピーカーを使ってて綺麗に聴こえたためしがありません。

異なるスピーカーを組み合わせるなら、クロスオーバーを見て欲しい。
外観むが似ているから大丈夫‥なんの根拠もありません。

で、とりあえず終わり。位相管理はとっても大事なんだよ。と。
当たり前の話を理屈っぽくこね回しただけでゴメンナサイ。

フルフェイズコントロールはどうした?!は次回余談にて。



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位相とサラウンドのお話.5

位相を整えることが、サラウンド再生にとても大切な事なんです。
全チャンネル同一スピーカーを等距離に設置。そして、シアタールームの響きやケーブルにも配慮。
‥と説明してきました。

ところが、そんな面倒なことは一切気にしなくても構いませんよ。位相ズレなんて、AVアンプでフルオートで制御しちゃいますよ。‥なんて素晴らしい機能が登場した訳です。

2010年2月現在2社しかありません。

パイオニアの FULL BAND FHASE CTRL(フルバンド・フェイズコントロール)
そして、
ソニーの Automatic Phase Matching(オートマティック・フェーズ・マッチング)
です。

名前も違うし、ソニーは世界初なんて言ってますが‥「位相ズレを整える」という目的は両者とも一緒です。
アプローチの仕方が違います。
パイオニアは全てのスピーカーの位相を理想値に修正します。
対し、ソニーは、フロントスピーカーの位相をいじらず、フロント以外全てのスピーカーの位相をフロントスピーカーの位相に合わせます。
文字どおり、パイオニアは全てのスピーカーを「コントロール」するのに対し、ソニーはフロントスピーカーに「マッチング」させている訳です。

もっと詳しく 参考URL
PIONEER マルチチャンネルテクノロジーファイル(PDF)
ITmedia スピーカーの“群遅延”を解消する「フルバンド・フェイズコントロール」とは?
AV・ウォッチ 第391回:かないまる氏に聞く、新AVアンプの独自機能 ~スピーカー間の位相差を補正する「TA-DA5500ES」 ~
開発者かないまる氏のHP TA-DA5500ES勉強会‥画期的位相マッチング技術 A.P.M. → http://kanaimaru.x0.com/da5500es/0f.htm

素晴らしいです。たいていの場合、この機能を使えば、「最大公約数的良いサラウンド空間」が得られるのは間違いないと思います。幸せになれるはずです。

ただ、つまらん突っ込みが無い訳でもない、、。
ソニー‥フロントスピーカーの位相が崩れていて音が変な場合、、他のスピーカーの位相までそれにマッチングさせたらどうなっちゃうんでしょう。
パイオニア‥フロントスピーカーの音が個人的に理想的な音で鳴っているのに、、、それを崩してメーカーさんの理想値に修正しちゃうのもいかがなものでしょう。位相をわざとずらして音を創っているスピーカーも多だあります。

事実、
自分のAVアンプ、フルバンドはオフにしています。オンにすると、たしかに空間は綺麗に描写されますが、一方で、少々迫力の削がれた音になってしまいます。


ソニーの場合においても、フロントスピーカーのセッティングは手動で追い込む必要がある訳です。テキトーにポン置きではダメということです。
セッティングのしっかりした時とそうでない時の音の違いは、‥音の像がビシッと定位しているのに、奥や左右の広がり感まで出て、そこにはリアルな仮想空間ができるのですから。

と言う事は、フロントのセッティングを完璧にして、ソニーを選ぶほうが良いかしら?


とにかく、
機械への過信は禁物なのです。機械に任せていれば全部OK!なんて、人間もダメになっちゃいます。
リアルで設定を詰める、それでも煮詰まらない場合に補正に頼る。‥それが最上サラウンドへの道のりだと思います。 

とは言え、両社の位相補正‥素晴らしい機能であることは間違いありません。(と無難に締めくくってみる)

と以上で、長々と続いた位相のお話はこれでお終いです。お粗末さまでした。





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定在波とサラウンド

5回に渡って「スピーカー間の位相干渉とサラウンドの関係」についてお話してきました。
‥やっぱり、それだけでは片手落ちかな?より良いサラウンドを得るためには、「定在波と部屋の関係」にも少し触れておかなければなりません。

四角い部屋で発生する定在波‥サラウンドの迫力を台無しにする憎い奴です。あなたの部屋にもほぼ確実にいやがります。

定在波‥Wikipediaでは、定常波として説明されています。
平行する二面の壁間に発生します。平行だから発生します。
「スピーカーから出る音」と「壁から跳ね返ってきた音」が干渉し続ける結果おこります。
減衰の低い洋間等、反射率の高い部屋ほど強調されます。
定在波のイメージ(石井式リスニングルーム研究のぺージより拝借)

定在波が原因で、特定の周波数が強調され間延びしキレが無くなったり、逆に聴こえ難くなったりします。‥それぞれが(平行する壁間の距離で決まる)特定のポジションで発生します。
(マイブログでも、カテゴリー「ルームアコースティック」の中で綴ってきました)

特定の周波数‥これを●久保シアターを例にとって計算すると、
前後の平行する壁間の距離は、3.4m。
定在波の発生する周波数は、(音速を340m/sとすると)基本波は340m/3.4m=100Hz。(ベースのブンブンいう帯域)
上の定在波のイメージで分かりますが、中央で100Hzが強調されています。1/4と3/4の位置では音圧ゼロになっています。(減衰ゼロでの表示なので、現実はそれよりも緩和されていますが)
ややこしいのですが、1/2波長50Hzでもおこり、それは中央では音圧ゼロになります。2倍波長200Hzでもおきます、、。壁間距離の 2/8 4/8 6/8 の位置で音圧ゼロ。1/8 3/8 5/8 7/8 の位置で強調されます。
4倍波長でも、、。

また、左右の平行する壁間の距離は、3.6m
同く計算すると、基本波は94.4Hz。‥以下数値のみ違う同文。


理屈はもうたくさんですね、、。すみません。
「だから、対策はどうすりゃいいんだよ?!」‥‥あい、わかりました。。

現実に大きな問題になるのは低音領域です。
対策は、定在波の、節、腹のできる位置で聴かないことです。
壁間距離1/2‥部屋の中央は一番ダメです。
壁間距離1/4の倍数位置、1/8の倍数位置も危険です。

壁間距離の2/3、3/5とか、9/16、11/16の位置がいいんじゃないでしょうか??? 
現実には、スピーカーの個性と自分の好みを鑑みながら。定在波も壁の素材や家具の影響を大きくうけますので、試聴をして最適なポジションを見つけます。
また、聴く位置だけでなく、スピーカーの位置を壁間距離の奇数の位置、例えば壁から1/3とか1/5の位置に置くことも、定在波から逃れる有効な手段です。
音のエネルギーを逃がしたり、
吸音したりという手段もある程度は有効です。

こんなことを頭に入れながら、まず最初に、スピーカーの位置とリスニングポジションを決める必要がある訳です。
絶対必要な要件です。
それを決めずに、音が変だからと、いろいろ対策しても全て無駄になってしまうかもしれません。根本がダメなんですから。たとえ、どんなに高級な機器を使っても酷い音なわけ、、なんですよ。

理屈上、最悪なケースは、
真四角(一般的に8畳ですね)で、反射率の高い部屋(コンクリート壁の洋間とか)で、スピーカーは壁にべたづけ、かつリスポジが真中央だった場合です。
縦横の壁間距離が同じになり、縦横同じ周波数で定在波が発生、そのエネルギーは2倍になってしいます。退治するのは簡単ではありません。

●久保シアターにおいては、天井が傾斜しています。平行してない故に、天井-床間の定在波は発生しない理屈です。前後左右だけ気にすれば良い訳で。右側が大きな空間、クローゼットになってますし。後方向には大きな吸音体になるベッドを置く予定だし。
「この部屋、いいかもね~♪」と言った理由は、そんなところにもあるんです。


機器のポテンシャルも最低限必要なレベルは存在します。安価な機器でも素晴らしいサラウンドになります。が、それを生かすも殺すも、まず在りきは、、部屋、置き方、そしてリスニングポジションなんです。



とっても大切なお話をしたつもりなんですが、、ご理解いただけたでしょうか。
アクション映画で爆発音に迫力がなかったり、、
逆に、「ボワワ~~ン」なんてこもったりね、、。
やっぱり、圧倒的な迫力で、「ズドドドンッ」と鳴ってほしいものですよね。



参考URL
デジタル意匠の美 Vol.29 シアタールームの音響性能をアップ!! 低音が消える?
私のオーディオルーム 音の実験室・定在波
理想的なオーディオルームの寸法‥黄金比→10×16×26 大場商事㈱Cardas Audioについて
All Aboutから 音のいい部屋「かないルーム」に学ぶ
石井式リスニングルーム研究オフィシャルサイト  定在波‥http://homepage2.nifty.com/hotei/room/chpt02/chpt02.htm
奇数分割方‥ようこそ、A-1 DRIVEへ。より スピーカー設置の「これだけはやっておきたい」
奇数分割方‥晴れ時々ジムラン! スピーカー位置の見直し
他にも、検索するとたくさんあります。興味が沸いたら探しまくってみてくださいね。


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