オーディオパワー
音響測定
特性
シンボル
 音圧 p、SPL、L PA
 粒子速度 v、SVL
 粒子変位 δ
 音の強さ 私、義理の妹
 音響パワー P、SWL、L WA
 音エネルギー W
 音エネルギー密度 わ
 音への暴露 E、SEL
 音響インピーダンス Z
 オーディオ周波数 AF
 伝送損失 TL

オーディオ出力とは、オーディオアンプからスピーカーに伝達される電力のことで、ワットで測定されます。スピーカーに伝達される電力とスピーカーの効率によって、生成される音響出力が決まります（残りの電力は熱に変換されます）。

アンプは出力できる電力に限界があり、スピーカーは音声信号を損傷したり歪ませたりすることなく音響に変換できる電力にも限界があります。これらの限界、つまり定格電力は、消費者が互換性のある製品を見つけたり、競合製品を比較したりする上で重要です。

電力処理

オーディオエレクトロニクスでは、アンプなどの出力や、スピーカーなどの 電力処理能力を測定する方法がいくつかあります。

アンプ

アンプの出力電力は電圧、電流、温度によって制限されます。

  • 電圧：アンプの電源電圧は、出力できる波形の最大振幅を制限します。これにより、所定の負荷抵抗に対して可能な最大ピーク出力電力が決まります。[ 1 ] [ 2 ]
  • 電流：アンプの出力デバイス（トランジスタまたは真空管）には、アンプの内部インピーダンスに基づいた電流制限があります。過大な電流は、アンプを損傷したり、アンプ内の保護回路が作動したりする可能性があります。最大電流は、アンプが最大電圧で駆動できる最小負荷抵抗を決定します。 [ 3 ]
  • 温度：アンプの出力デバイスは電気エネルギーの一部を熱として無駄にしており、この熱が速やかに除去されない場合、デバイスの温度が上昇して損傷する可能性があります。温度上昇は最大連続出力を制限する可能性があります。[ 4 ]

アンプの出力は消費者が購入に望む金額に大きく影響するため、メーカーは出力スペックを誇張する傾向があります。規制がないため、独創的な方法で出力定格を宣伝することが非常に一般的になり、1975年には米国連邦取引委員会が市場に介入し、すべてのアンプメーカーに対し、他の数値に加えて、エンジニアリング測定値（連続平均電力）の使用を義務付けました。[ 4 ]

スピーカー

スピーカーの場合、最大電力処理には熱的側面と機械的な側面もあります。

  • 熱：スピーカーに送られたエネルギーのすべてが音として放出されるわけではありません。実際には、大部分は熱に変換されるため、温度が上がりすぎないようにする必要があります。高レベルの信号を長時間にわたって供給すると、熱による損傷が発生する可能性があります。これはすぐに明らかになる場合もあれば、寿命や性能マージンを低下させる場合もあります。
  • 機械的: スピーカーのコンポーネントには機械的限界があり、非常に短い電力ピークでもそれを超過することがあります。一例として、最も一般的な種類のスピーカー ドライバーが挙げられますが、これは機械的な損傷なく、ある変位限界を超えて内側または外側に移動することはできません。

アンプとは異なり、米国には同様のスピーカー電力処理規制はありません。多くのスピーカー システムは、周波数によって電力処理能力が大きく異なるため、問題ははるかに困難です (たとえば、スピーカー システムのツイーターは高周波信号を処理しますが、物理的に小さくて損傷しやすいのに対し、ウーファーは低周波信号を処理するため、より大きくて頑丈です)。

電力計算

波形の瞬時電力の時間経過グラフ。ピーク電力はP 0、平均電力はP avgと表記されている。

AC波形の瞬時電力は時間とともに変化するため、オーディオ電力を含むAC電力は時間経過の平均値として測定されます。これは次の式に基づいています。[ 5 ]

P1つのvグラム＝1T∫0Tv（t）⋅私（t）dt{\displaystyle P_{\mathrm {avg} }={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}v(t)\cdot i(t)\,dt\,}

純粋な抵抗負荷の場合、電圧と電流の波形の 二乗平均平方根(RMS) 値に基づいて、より簡単な式を使用できます。

P1つのvグラム＝Vrメートルs⋅私rメートルs{\displaystyle P_{\mathrm {avg} }=V_{\mathrm {rms} }\cdot I_{\mathrm {rms} }\,}

純粋な抵抗負荷に安定した正弦波トーンが入力される場合、これは電圧波形のピーク振幅（オシロスコープで測定する方が簡単）と負荷の抵抗から計算できます。

P1つのvグラム＝Vrメートルs2R＝Vpe1つのけ22R{\displaystyle P_{\mathrm {avg} }={\frac {{V_{\mathrm {rms} }}^{2}}{R}}={\frac {{V_{\mathrm {peak} }}^{2}}{2R}}\,}

スピーカーは純粋な抵抗ではなく、オーディオ プログラムは正弦波ではありませんが、これらの式はそのようなシステムの電力測定を概算するために使用されることがあります。

例

試験対象のアンプは、ピーク振幅6V（12Vバッテリー駆動）の正弦波信号を駆動できます。8Ωのスピーカーに接続すると、以下の出力が得られます。

P1つのvグラム＝（6 V）22（8 Ω） ＝2.25 W{\displaystyle P_{\mathrm {avg} }={(6~\mathrm {V} )^{2} \over 2(8~\Omega )}\,\ =2.25~\mathrm {W} }

実際の車載システムでは、アンプはブリッジ接続された負荷構成で接続されており、スピーカーのインピーダンスは4Ω以下です。高出力の車載アンプでは、DC-DCコンバータを使用してより高い電源電圧を生成します。

測定

連続電力とRMS電力

電圧波形とそれに対応する電力波形（抵抗負荷を想定）。RMS電圧は青、ピーク電力は赤、平均電力は緑です。

連続平均正弦波電力定格は、オーディオ アンプ、場合によってはスピーカーの性能仕様の基本です。

前述のように、平均電力という用語は、瞬時電力波形の時間経過における平均値を指します。これは通常、正弦波電圧の二乗平均平方根（RMS）から導出されるため、 [ 6 ] RMS電力またはワットRMSと呼ばれることもあります。これは電力波形のRMS値として解釈されるべきではありません。 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]ワットRMSはANSI規格で使用され、公称値とも呼ばれ、製品マークでの使用が義務付けられています。[ 11 ]

連続的(ピークとは対照的) とは、デバイスがこの電力レベルで長時間動作できること、つまり、損傷が発生するまで温度が上昇することなく、発生した熱と同じ速度で熱を除去できることを意味します。

1974年5月3日、連邦取引委員会（FTC）は、多くのハイファイアンプメーカーによる非現実的な出力表示に対抗するため、アンプ規則[ 12 ] [ 13 ]を制定しました。この規則は、米国で販売されるアンプの広告および仕様において、正弦波信号を用いた連続的な出力測定を規定しています（詳細は「地域による差異」を参照）。この規則は1998年に改正され、パソコンで一般的に使用されるセルフパワードスピーカーにも適用されました（以下の例を参照）。

通常、アンプの出力仕様は、連続正弦波信号を用いて、クリッピング開始時のRMS出力電圧を測定することで算出されます。クリッピングとは、指定された負荷抵抗における全高調波歪み（THD）の規定パーセンテージ（通常は1%）として任意に定義されます。一般的に使用される負荷は、チャンネルあたり8オームと4オームです。プロオーディオで使用される多くのアンプも2オームで規定されています。歪みを許容すれば、相当な電力を供給できます。一部のメーカーは、10%などの高い歪み率での最大電力を記載しており、許容される歪みレベルで測定した場合よりも、機器が強力に見えます。[ 14 ]

連続的な電力測定は、実際にはオーディオ機器に見られる非常に変動の大きい信号（高波高率の楽器の録音から0dBの波高率の方形波まで変化する可能性があります）を表すものではありませんが、アンプの最大出力能力を表す合理的な方法として広く認識されています。オーディオ機器の場合、これはほぼ常に人間の可聴周波数範囲である20Hz～20kHzです。

スピーカーにおいては、ボイスコイルと磁気構造の熱容量が連続許容電力をほぼ決定する。しかし、スピーカーの使用可能周波数範囲の下限では、機械的な変位限界のために許容電力が低下する可能性がある。例えば、 100ワット定格のサブウーファーは80ヘルツでは100ワットの電力を処理できるかもしれないが、25ヘルツでは、アンプから100ワットに達するずっと前に、一部のエンクロージャー内の一部のドライバーが機械的限界を超えてしまうため、それほど大きな電力を処理できない可能性がある。[ 15 ]

ピークパワー

ピーク電力は瞬間電力波形の最大値を指し、正弦波の場合は常に平均電力の2倍になります。[ 16 ] [ 1 ] [ 17 ] [ 18 ]他の波形の場合、ピーク電力と平均電力の関係はピーク対平均電力比（PAPR）です。

アンプのピーク電力は、電圧レールと、電子部品が損傷を受けることなく瞬間的に処理できる最大電流量によって決まります。多くのオーディオ信号は非常にダイナミックな性質を持つため、これは機器が急速に変化する電力レベルに対応できる能力を表します。[ 19 ]

しかし、このアンプは常に平均電力値よりも高い値を生成するため、文脈を無視して広告に使用し、アンプが競合製品の 2 倍の電力を持っているかのように見せかける誘惑にかられることがあります。

システム全体の電力

トータルシステム電力とは、オーディオ機器においてオーディオシステムの電力評価によく用いられる用語です。トータルシステム電力とは、スピーカーの許容電力やアンプの出力ではなく、ユニット全体の消費電力を指します。これは、やや誤解を招くマーケティング戦略と言えるかもしれません。ユニット全体の消費電力は、アンプのピーク電力（おそらくピーク電力は基本的に誇張された値です）を除けば、当然のことながら他のどの電力定格よりも大きくなります。市販のステレオやサラウンドサウンドレシーバーは、トータルシステム電力で評価されることが多いのです。

システム全体の電力を用いてより正確な電力推定を行う一つの方法は、アンプのクラスを考慮することです。アンプのクラスは、そのクラスの効率を考慮することで、出力電力をある程度推定することができます。例えば、AB級アンプの効率は25%から75%まで幅広く変動しますが[1]、D級アンプの効率は80%から95%とはるかに高くなります[2]。非常に効率の高いD級アンプであるROHM BD5421efsは、90%の効率で動作します[ 20 ] 。

オーディオ機器によっては、すべてのスピーカーのピーク出力を合計したシステム全体の出力で測定されることがあります。多くのホームシアター・イン・ア・ボックス・システムはこの方法で評価されています。低価格のホームシアターシステムの出力定格は、高調波歪みも考慮されていることが多く、10%に達すると目立ってしまうほどです。[ 21 ]

PMPO

PMPOは、ピーク・ミュージック・パワー出力[ 22 ] [ 23 ]もしくはピーク瞬間パフォーマンス出力[ 24 ]の略称であるが、これははるかに疑わしい性能指数であり、消費者よりも広告コピーライターの関心が高い。[ 25 ] PMPOという用語は、いかなる標準でも定義されたことがないが[ 26 ]、システム内の各アンプの何らかのピーク電力の合計であると解釈されることが多い。異なるメーカーがさまざまな定義を使用しているため、PMPOと連続出力の比率は大きく異なり、一方から他方に変換することはできません。ほとんどのアンプは、PMPOを維持できるのは、たとえ維持できたとしても非常に短い時間だけである。スピーカーは、重大な損傷を伴わずに瞬間的なピーク以外のPMPOに耐えられるようには設計されていない。

現実世界におけるパワーと音量

知覚される「音量」は、音響出力に対してほぼ対数的に変化します。音響出力の変化に対する知覚される音量の変化は、基準となる出力レベルに依存します。知覚される音量を、基準となる出力に依存しない対数デシベル（dB）スケールで表すことは、有用であり、技術的にも正確です。このスケールでは、10dBの変化と知覚される音量の2倍の間には、ほぼ直線的な関係が見られます。

出力と知覚される音量の間にはほぼ対数的な関係があり、これはオーディオシステム設計において重要な要素です。アンプの出力とスピーカーの感度はどちらも、実現可能な最大音量に影響を与えます。感度は通常、無響室に吊り下げられた状態で「自由空間」（フルレンジスピーカーの場合）または地面に置かれた状態で「半空間」（サブウーファーの場合）で測定されます。

知覚される音量が 2 倍/半分になると、スピーカーの感度が約 10 dB 増加/減少しますが、音響パワーも約 10 倍/分割されます。感度の比較的控えめな 3 dB 増加/減少でも、音響パワーは 2 倍/半分になります。「半空間」で測定する場合、グランドプレーンの境界によって音が放射される利用可能な空間が半分に分割され、受信機での音響パワーが 2 倍になり、測定された感度がそれに応じて 3 dB 増加するため、テスト条件を知っておくことが重要です。測定された感度の ±3 dB の変化は、所定の知覚される音量を生成するために必要な電力も同様に 2 倍/半分になることに対応するため、一見「小さな」感度の違いでも、アンプの電力要件が大きく変化する可能性があります。これが重要なのは、アンプの出力が増加すると、パワーアンプがますます実用的ではなくなるためです。

多くの高品質の家庭用スピーカーの感度は ~84 dB から ~94 dB の間ですが、業務用スピーカーの感度は ~90 dB から ~100 dB の間です。'84 dB' の音源では、'90 dB' の音源を 100 ワットのアンプで駆動した場合、または '100 dB' の音源を 10 ワットのアンプで駆動した場合と同じ音響パワー (知覚される音量) を生成するために、400 ワットのアンプが必要になります。したがって、システムの「パワー」を測る良い方法は、意図したリスニング位置で、可聴周波数スペクトル全体にわたって、アンプとスピーカーを組み合わせたときのクリッピング前の最大音量を dB SPL でプロットすることです。等音量線で示されるように、人間の耳は低周波にはあまり敏感ではありません。そのため、適切に設計されたシステムは、クリッピング前に 100 Hz 未満で比較的高い音量を生成できる必要があります。

知覚される音量と同様に、スピーカーの感度も周波数と出力によって変化します。感度は、電力圧縮や高調波歪みなどの非線形効果を最小限に抑えるため、1ワットで測定され、使用可能な帯域幅全体で平均化されます。帯域幅は、相対的な音量がピーク音量から少なくとも6dB減衰する、測定された「+/-3dB」のカットオフ周波数間で指定されることがよくあります。スピーカーメーカーによっては、床/壁/天井の境界によって知覚される音量が増加する可能性のある周波数範囲におけるスピーカーの実際の室内応答を考慮するため、「+3dB/-6dB」という表記を使用する場合もあります。

オーディオアンプは電圧源のように動作する傾向があるため、スピーカーの感度はアンプの出力電圧が一定であると仮定して測定・評価されます。しかし、スピーカーの設計によってインピーダンスが異なるため、感度は誤解を招く指標となる場合があります。インピーダンスの高いスピーカーは、インピーダンスの低いスピーカーよりも測定感度が低くなる場合があり、実際には効率が同じであっても、効率が低いように見えることがあります。スピーカー効率は、スピーカーが音響出力に変換する電力の実際の割合のみを測定する指標であり、スピーカーから所定の音響出力を得る方法を検討する際には、より適切な指標となる場合があります。

同一の相互結合スピーカードライバー（互いの間隔は波長よりもはるかに短い）を追加し、電力を2つのドライバー間で均等に分配すると、それらの合計効率は最大3dB向上します。これは、単一のドライバーのサイズを大きくして振動板面積を2倍にした場合と同等です。周波数特性は一般的にドライバーのサイズに比例するため、効率を向上させるには、大型ドライバーよりも複数のドライバーを使用する方が実用的です。

システム設計者は、スピーカーキャビネット内で相互結合したドライバーを使用することで、また会場内で相互結合したスピーカーキャビネットを使用することで、この効率向上を活用します。ドライバーアレイ内のドライバー総面積が2倍になるごとに、アレイ内の任意の2つのドライバー間の距離が約1/4波長を超える限界まで、効率は約3dB向上します。

ドライバー数が倍になると、パワーハンドリング能力も倍増します。つまり、アンプの総出力が倍増した場合、相互結合ドライバー数が倍増するごとに、音響出力は最大で約6dB向上します。ただし、高周波数域では、振動板、バスケット、導波管、ホーンを含むドライバー単体の全体サイズが既に1波長を超えているため、複数のドライバーを用いた場合の相互結合効率の向上は困難です。

波長よりもはるかに小さい音源は、自由空間において全方向に放射する点音源のように振る舞いますが、波長よりも大きい音源はそれ自体が「グランドプレーン」として機能し、音を前方に放射します。この放射により、大規模な会場では高周波の分散が問題になる傾向があるため、設計者はリスニングエリア全体を複数の音源でカバーしたり、複数の場所に設置したりする必要がある場合があります。

同様に、スピーカーと床、壁、天井などの境界との間の距離が1/4波長よりはるかに短い場合、自由空間が半空間、1/4空間、または1/8空間に変化することで、実効感度が向上する可能性があります。境界からの距離が1/4波長を超える場合、遅延反射によって知覚される音量が増加する可能性がありますが、コムフィルタや残響などのアンビエント効果も引き起こし、特に小規模な会場や硬い反射面では、会場全体で周波数特性が不均一になったり、音が拡散して耳障りになったりする可能性があります。

指定されたリスニングエリア内の境界効果を補正するために、吸音構造、拡散構造、およびデジタル信号処理が採用される場合があります。

アンプとスピーカーのマッチング

チャールズ・「チャック」・マクレガーは、イースタン・アコースティック・ワークスのシニアテクノロジストとして勤務していた当時、プロオーディオ機器の購入者がスピーカーに適したサイズのアンプを選ぶためのガイドラインを執筆しました。マクレガーは、アンプの最大出力定格はスピーカーの連続出力（いわゆる「RMS」）定格の2倍（±20%）とする目安を推奨しました。彼の例では、連続出力定格が250ワットのスピーカーには、最大出力が400～625ワットのアンプが最適であるとされています。[ 27 ]

JBLは、スピーカーのテストとラベル付けをIEC 268-5規格（最近ではIEC 60268-5と呼ばれている）に基づいて行っているが、システムの使用プロファイルに応じて、より微妙な推奨事項を持っている。これは、より根本的には、スピーカーを駆動するために使用される信号の（最悪の場合の）波高率に関係している。 [ 28 ]

  1. 「ピーク過渡特性を維持しなければならない、注意深く監視されるアプリケーションでは、システムはIEC定格の2倍の電力を供給できるアンプで駆動する必要があります。」例えば、 IEC定格300ワットのスタジオモニターは、「ピーク信号は通常、システムのコンポーネントにほとんど負担をかけないほど短時間である」限り、600ワット（RMS）のアンプで安全に駆動できます。[ 28 ]
  2. 「高出力が連続的かつ歪みなく発生する可能性のある日常的な用途では、システムのIEC定格を供給できるアンプで電源を供給する必要があります。」これにはほとんどの民生用システムが含まれます。「このようなシステムは、しばしば意図せず過駆動したり、フィードバック状態になったりする可能性があります。IEC定格に相当するアンプで電源を供給すれば、ユーザーは安全な動作を保証されます。」[ 28 ]
  3. 「楽器用途において、歪んだ（オーバードライブされた）出力が音楽的な要件となる場合、システムはシステムのIEC定格の半分の出力しか供給できないアンプで駆動されるべきである。」これは、例えば、通常「歪みのない正弦波300ワット」を出力するアンプは、クリッピング時（つまり、出力が方形波に近づく時）には600ワット近くの電力に達する可能性があるためである。このようなシナリオが考えられる場合、スピーカーを安全に動作させるためには、アンプの（RMS）定格はスピーカーのIEC定格の半分以下でなければならない。[ 28 ]

アクティブスピーカーのパワーハンドリング

アクティブ スピーカーは、チャネルごとに 2 つまたは 3 つのスピーカーで構成され、各スピーカーには専用のアンプが搭載され、その前段に電子クロスオーバーフィルタが配置され、低レベル オーディオ信号を各スピーカーが処理する周波数帯域に分離します。このアプローチにより、高電力処理能力を持ちながらもロールオフが制限され、大型で高価なインダクタやコンデンサも必要なく、低レベル信号に複雑なアクティブ フィルタを使用できます。もう 1 つの利点は、信号が 2 つの異なる周波数帯域で同時にピークを持つ場合、ピーク電力処理能力が高くなることです。1 つのアンプは、両方の信号電圧がピークに達したときにピーク電力を処理する必要があります。電力は電圧の 2 乗に比例するため、両方の信号が同じピーク電圧にあるときのピーク電力は、電圧の合計の 2 乗に比例します。別々のアンプを使用する場合は、それぞれの帯域でピーク電圧の 2 乗を処理する必要があります。例えば、ベースとミッドレンジがそれぞれ10Wの出力に相当する信号を持つ場合、40Wのピークを処理できるアンプが1台必要ですが、ベースとトレブルはそれぞれ10Wを処理できるアンプが1台あれば十分です。これは、広帯域のパーカッションや高振幅のベース音など、同程度の振幅のピークが異なる周波数帯域で発生する場合に当てはまります。

ほとんどのオーディオアプリケーションでは、低域でより多くのパワーが必要になります。そのため、低域には高出力アンプ（例：20～200Hz帯域で200ワット）、中域には低出力アンプ（例：200～1000Hz帯域で50ワット）、高域にはさらに低出力アンプ（例：1000～20000Hz帯域で5ワット）が必要です。バイアンプ／トリアンプシステムを適切に設計するには、ドライバー（スピーカー）の周波数特性と感度を検討し、最適なクロスオーバー周波数とパワーアンプの出力を決定する必要があります。

地域による違い

アメリカ合衆国

ピーク瞬間出力とピーク音楽出力は、仕様が異なる異なる測定単位であり、互換的に使用すべきではありません。パルスやパフォーマンスといった異なる用語を使用するメーカーは、独自の非標準的な測定システムを反映している可能性があり、その意味は不明です。連邦取引委員会（FTC）は、家庭用エンターテイメント製品に使用されるアンプの出力表示に関する連邦取引委員会規則46 CFR 432（1974）により、これに終止符を打とうとしています。

連邦取引委員会（FTC）の命令を受け、全米家電協会（CEA）は、消費者向け電子機器のオーディオ出力に関する明確かつ簡潔な基準を策定しました。FTC承認の製品表示テンプレートをウェブサイトに掲載しており、完全な規格は有料で入手可能です。この規格により、アンプの定格に関する曖昧さと混乱が大幅に解消されると多くの人が考えています。スピーカーとパワードスピーカーシステムの定格も定められます。この規格はオーディオアンプにのみ適用されます。EU版も策定される見込みで、米国と欧州で販売されるすべての機器は同一の試験と定格を受けることになります。[ 29 ]

この規制は車載エンターテイメントシステムには適用されず、その結果、依然として電力定格に関する混乱が生じています。しかしながら、モバイルオーディオアンプの試験・測定方法を規定した新たな米国国家規格ANSI/CEA-2006-Bが、多くのメーカーによって段階的に市場に導入されつつあります。[ 30 ]

ヨーロッパ

DIN ( Deutsches Institut für Normung、ドイツ標準化協会) は、DIN 45xxx でオーディオパワーを測定するためのいくつかの規格を説明しています。 DIN 規格 (DIN 規格) はヨーロッパで一般的に使用されています。[ 31 ]

国際的

IEC 60268-2は、電力出力を含む電力増幅器の仕様を定義しています。[ 32 ]

参照

参考文献

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