12月 18 2007
高調波歪の不思議
オーディオ装置の品質を表す指標のひとつに歪率があります。
ある周波数の正弦波を入力し、その基本波を除いた高調波成分とノイズを計測し全高調波歪率となります。
アンプなどでも品質を表す重要な指標だと思いますが、その反面実際の試聴結果と合わないところもあって、歪率が小さいアンプほど音がいいと言い切れないのも事実です。
また全高調波歪率と聴感上の歪感も必ずしも一致しない場合もあります。たとえば真空管アンプでは歪が気になるレベルは0.1%から1％くらいですが、半導体アンプでは0.01−0.05％のレベルで気になりだします。よく雑誌などでは、真空管アンプは2次高調波が主成分で、半導体アンプは3次高調波なので真空管アンプの方が歪が気にならない（偶数次高調波は聴感上さほど有害ではない）と言う説明を見かけます。しかし実際には半導体アンプの3次高調波歪はおそらく真空管アンプのそれよりも小さいので、それも的を得た説明とも思えません。
そもそも2次高調波、3次高調波成分が多少混じったくらいで音が歪む様に聴こえるはずは無いのです。2次高調波は基本波の2倍の音、3次高調波は3倍の音ですから、ピアノで言うと第2高調波は、ドの音に対して１オクターブ上のドの音、3次高調波は1オクターブ上のその音になります。
図にするとこんな感じ（周波数はおよそです、ほんとは無理数ですし調律法にもよるので）
ピアノの音は元からたくさんの高調波成分を含んでおり、、単純にはいえないかもしれませんが、ピアノで
”ドドソ”と和音を弾いた時に、上の方の”ド”を１％強く引いたり（2次高調波が１％増える）、”ソ”の音を1%強く弾いたからといって（3次高調波が１％増加）、誰も不快に感じないでしょう。楽器の音や自然の音はもともと高調波成分をたくさん含んでいるので、その高調波成分の比率は１％変ったところで、音質に影響するはずがありません。
でも実際にはアンプのひずみ率が％オーダー位にひどくなると、音質は明らかに悪くなります。ではなぜ音が悪くなるかというと、高調波成分ではなく、非高調波成分のせいではないかと思うのです。非高調波成分というのは基本波の倍数に無い成分で、無理に言えば4.5次4.数次高調波ともいえるような成分です。
鍵盤の和音の話にもどりますが、ドミソ（ドドソ）の和音で間違って隣の鍵盤を少しでも触ると、不協和音となって、それはそれは聴きにくい音になります。アンプも同様で高調波成分が少し増えるくらいならいいのですが、不協和音に相当する非高調波歪（勝手になずけたので正式な名称ではないかも）がアンプの音質劣化の原因ではないかと推測しています。
直感的に言って不協和音に関しては和音の成分の1000倍以上敏感なのではないかと思います。
アンプに関しても非高調波成分の発生は1000倍（60ｄB）以上敏感に聞き取っているのではないかと思うのです。 実際音の悪いAVアンプをの歪みスペクトルを見てみると、無数の非高調波ひずみを発生しています。逆に良くできたアンプには高調波歪はあっても非高調波ひずみはありません。
AVアンプの歪みスペクトル（罫線に乗っていないのが非高調波歪）
上の図は音が悪いので研究題材に良く使っているAVアンプの歪み成分のFFTスペクトルです。オーディオアナライザーの歪率計からのモニター出力をPCのADボードから入力して解析したもので、測定周波数は10KHz、出力１V、パワーアンプ出力でモニターしています。歪率は約0.05％くらいだったと思います。このAVアンプに特徴的なのは無数の非高調波成分（図の罫線に乗っていないもの）の存在です。 多いのは４次から８次位の間です。
この非高調波成分の理由は良く分かりません。今後さらに検討・考察が必要と考えられます。
4 Responses to “高調波歪の不思議”
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オーディオアンプの高調波発生による再現性低下を論じるのに、
基音を10KHzとするのは無理があるのでは？
人間の可聴周波数上限や、多くのスピーカの再生周波数上限は
一般に20KHz前後なので、30KHzの倍音はほとんど聞こえないはず。
普通の楽器の基音を50〜2KHz程度として、1KHz程度でテストされてはいかが？
コメントありがとうございます。
ご指摘のとおり、１０ｋHｚの基本波の高調波ひずみは20,30KHz・・・なので聴こえないはずです。
一般的にアンプの歪率特性は主に100Hz、1KHz、１０KHｚで測定されています。これは歪率特性に周波数依存性があるため、可聴帯域全体をカバーするために、切りのいいところでこの周波数を測定してきたものと考えられます。一般に半導体アンプでは１０KHｚではNFB量が減少し始めるため、歪率特性が悪化し始めます。10KHzの歪特性は歪み成分が聴こえるから有害云々というよりも、一種の加速試験と考えていただいた方がよろしいかと思います。上記の測定を１KHｚで行うと歪み成分の大きさが当然小さくなりますので測定系のひずみやノイズに邪魔されて見えにくくなってしまいます。
さらにいえば、確かに２０KHz以上は聴こえませんが、たとえば70KHｚと75KHｚの成分があると差の5KHｚ（のうなり）として聴こえる事も考えられます。あるいは１００KHｚの信号が+-５Khzで変動すると、やはり10Khzの成分が発生するので、２０KHｚ以上は聴こえないからどうでもいいということにはならないと思います。
■私も通りすがり。上の鍵盤と周波数の関係について。
”基本波”と↓されている位置を中央のドとします。 ・・・・（11）
ちなみに
440Ｈｚは（１１）から右へドレミファソラと進んだ”ラ”です。・・・・（12）
NHKの時報の3つ短い音に相当します。
最後の長い音は（11）よりオクターブ上の，ラ ・・・・（13）
です。
以上
私の記憶違いでした。４４０Hｚは「ラ」で、その下の「ド」は約２６2Hz（ほんとは無理数）でした。
本文の図の周波数表記を訂正させて頂きました。
ご指摘ありがとうございました。