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インピーダンスとインピーダンスマッチング

バッファーとかマイクプリアンプとかの話の流れで “インピーダンス” という用語が出ています。当然「インピーダンスって何なの?」って聞かれますが、これが、説明しづらい。

ちなみにWikipediaだと

「電気回路におけるインピーダンスは、交流回路におけるフェーザ表示された電圧と電流の比である。 直流におけるオームの法則の電気抵抗(レジスタンス)の概念を複素数に拡張し、交流に適用したものであり、単位としてはオーム(表記はΩ)が用いられる。」

うーむ、むずかしい。1ミリも理解できる気がしません。

なんか、すっと入ってくる説明ができないかと、乏しい絵心で絵を描いてみました。

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どうでしょう?インピーダンスの 高い/低い を、水路が 狭い/広い に置き換えていますがちょっと強引?でも、ハイインピーダンス、ローインピーダンスの特徴や性質なんかはイメージしやすいと思います。ハイインピーダンスは水路が狭いので同じ水位(音量)でも、流す水の量が少なくて済みます、とってもエコです。その代わり、汚れたもの(ノイズ)が入りこんだ場合は、少し混入しただけでも影響を及ぼす割合が大きくなります。 ローインピーダンスの方は同じ水位(音量)にするために多量の水が必要ですが、同じ量の汚れが混ざったとすると、ローインピーダンスの多量の水に対しては微々たる割合、多量の水で薄められ汚れの影響はひじょうに少なくなります。つまりノイズに強い信号である事がイメージできると思います。

微小な電流でもシグナルを伝送できるハイインピーダンス。

たっぷりの電流でノイズに強い状態のローインピーダンス。

 

エレキギターは電磁誘導を応用したマグネティックPUで、弦の振動から電気信号を発生させています。その信号は微々たるエネルギーですので大きな電流を流すことができません。少しの水しか流し出すことができません、つまりハイインピーダンス出力です。ですので、ほんの少しの水でもシグナル情報を伝達できる細い水路、ハイインピーダンス入力の入力端子にしか接続できません。もしパッシブギターのハイインピーダンス出力をライン入力などのローインピーダンス入力に接続した時、どんな事が起こるのか見てみましょう。

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ハイインピーダンス出力をローインピーダンス入力に接続する。少ししかない水を広い水路に流そうとすると、水は形をキープできないので広がってしまい水位(シグナルレベル)が大幅に低下します。水位の低下はシグナルレベルのロスになります、ロスした分を上乗せして増幅するとノイズの割合が大きくなりS/N比が悪化します。そればかりかレベルの低下はハイインピーダンス出力の内部まで及び、周波数特性の劣化を招いたり出力回路が正しく動作できなくなる場合だってあります。インピーダンスのミスマッチの状態です。デメリットしかありません。

 

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ローインピーダンス出力をハイインピーダンス入力に接続する。広い水路にたっぷりとある水から、細い水路でちょっとだけ貰って水位(シグナル)の変化を読み取る。たっぷりある中からちょっと抜き出した位では水源側に影響を与えず、つまり水位(シグナルレベル)のロス無しに水位(シグナル)の情報を取り込むことができます。ここでロスが出なければ、このあとの増幅ステージでのゲインは最小限で済むので、高いS/N比を実現できます。また、水源側に影響を与えない事はシグナルの変化も起こらないという事ですので、ハイ落ちや歪などを起こさず、原音も汚さずにキープします。ゆえに、”ロー出し/ハイ受け”は信号伝送に優れた信号形態である事が、絵からもお分かりいただけると思います。

 

正しいシグナル伝送のために、実際の機器の出力インピーダンス/入力インピーダンスの実例を見ながら検証したいと思います。

まず、エレキギターの出力インピーダンス。パッシブPUの場合、出力インピーダンスは周波数によって大きく変化しますので楽器一つをとっても〇〇オームとは言えませんが、目安として数キロオームから数百キロオームとハイインピーダンスから超ハイインピーダンスのレンジで変化し収まっています。

これに対して、ロー出し/ハイ受け とならなければならないのでギターアンプやペダルの入力インピーダンスはさらに高い値のはず。JC-120は680kΩ Marshall JVMシリーズ470kΩ Twin Reverbは1MΩとメーカーによってまちまちですがPUより高いインピーダンスを確保し、ロー出し/ハイ受けを実現しています。

ギター(PU)の中にはアクティブタイプ、ローインピーダンスタイプなども存在します。しかしEMG アウトプットインピーダンスは10kΩ ← オフィシャルかどうか不明、アクティブPUの出力インピーダンスについてこれくらいの情報しかない。けど、10kΩという値はパッシブPUに比べてローインピーダンスというだけで全然ローインピーダンスではありません。オーディオインターフェイスなどのライン入力端子これらは入力インピーダンスが10kΩから50kΩ程度が相場、ここに直接入力するとなるとかろうじてハイ受けという状態。レベルの低下やハイ落ちなどが予想されあまり良い状態とは言えません。情報が無いだけで、出力インピーダンス300ΩなどというPUシステムであれば入力インピーダンス10kΩの入力端子でも理想的な伝送が可能です。

ギターペダルはどうでしょう?入力インピーダンスは1MΩや後半の数百キロオームが多いです。やはりパッシブPUのギターからの入力を想定していますのでこのような値に設計されています。インピーダンスとインピーダンスマッチング,インピーダンスとは?,インピーダンス解説Empress BUFFER+のように入力インピーダンスが可変できる機種もあります。インピーダンスの値により、共振ポイントが変化する事を利用して音質を調整しようという新しい観点でのサウンドメイクを取り入れています。

ギターペダルの出力インピーダンスの値の相場としては500Ω程度から数キロオームといったところが多いでしょう。古い設計のペダルには数十キロ、数百キロオームという物もありますが忘れましょう。数キロオーム以下であれは伝送にも適した状態になってきます。シンセサイザーなど電子楽器系もこれくらいの出力インピーダンスになっているものが多いです。

マイクロホンは、ダイナミック型、コンデンサー型がありますが、出力インピーダンスは150Ωや200Ω、300Ωといったところが相場です。それを接続するマイクプリアンプは 1kΩ~3kΩといったあ
インピーダンスとインピーダンスマッチング,インピーダンスとは?,インピーダンス解説たりにしている機種が多く見られます。マイクの出力インピーダンスに対して10倍程度のハイ受けとなっています。中には300Ωとかあえて低い値の機種もあります、入力部にトランスを持つ機種で巻き線比を変更しオーディオ特性の変化を狙います、磁気的な飽和感のあるリッチなサウンド。マイク側もマイクプリアンプ側も全体的に低めなのは長尺伝送になった時のケーブルのキャパシタンスの影響を少なくするため、マイクロフォニックノイズの軽減のための工夫。エレキギターよりもずっと微弱なマイクレベル信号の伝送はかなり気を使います。

スピーカーは4Ω 8Ω 16Ωなど、たいへん低いインピーダンスです。真空管アンプの場合は出力トランスによるインピーダンスマッチングが必要、適合するポジションでご使用いただく必要があります。トランジスタ(半導体)アンプの場合は ロー出し/ハイ受け の状態で使用します。4Ωの受けに対してインピーダンスとインピーダンスマッチング,インピーダンスとは?,インピーダンス解説ロー出しの関係を成立させるためにはアンプの出力インピーダンスは少なくとも1Ω以下0.2Ωなど極低インピーダンスとする必要があります。1Ω以下ともなると、水路の幅はとんでもなく広いので、水(電流)もたっぷり使います、十分な水源(電源)とそれをコントロールする能力(出力回路)が求められます。

ヘッドホンは、16Ω 32Ωといった低インピーダンスの物から、300Ω 600Ωといったあたりまで、けっこうな開きがあります。それを駆動するヘッドホンアンプは低インピーダンス出力が基本。パワーアンプのついでの機能としてのヘッドホンアンプの場合、出力電圧をアッテネートする目的で抵抗を挿入し 結果インピーダンスが高めになっているものや、出力回路保護の目的で抵抗を挿入し 結果インピーダンスが上がってしまっているもの。また、ヘッドホンからの逆起電力の吸収やダンピングのコントロールの目的とした意図的に出力インピーダンスをコントロールした物などヘッドホンアンプ側も様々です。

音響機器を設計する上でのインピーダンスは、その性質をフルに考慮して回路を作りあげる事が必要ですが、機器を選ぶ/使う側なら、同系の機種と比べて高いか低いか、つなぐ場合は ロー出し/ハイ受け に当てはまるか くらいの認識があれば困らないと思います。実はアクティブPUでも出力インピーダンスはハイインピーダンスとか、ペダルの出力はローインピーダンスとは限らないとか、この辺をおさえていただければ十分です。

 

いかがでしたでしょうか?Wikipediaの説明よりは幾分マシだと思います。分かりにくいとかご意見やがあれば、今後のためにもバシバシご指摘くださいませ。こういう場合はどうなの?といったご質問もお気軽にどうぞ。

 
 

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    • 2019年 7月 14日

    こんにちは。
    大変勉強になる記事を有り難う御座います。

    インピーダンスにおおよその理解を持てたのですが、
    いくらロー出しハイ受けと言っても、
    例えばラインレベルのアウトで200Ωを
    エレキギターの入力を想定した1MΩで受けたら、
    「ロー出し、スーパーハイ受け」になりますが、
    こういう場合は音質劣化などはないのでしょうか?

    もしないなら、インピーダンスマッチングなどハイ出しロー受けにさえならなければ関係なく、
    600Ω出し600Ω受けも、600Ω出しMΩ受けも同じになって
    意味も必要もないことのように思えてしまいます。

    しかし、無茶苦茶な数値にされていないのが実際のプロ機器ですから
    やっぱりロー出しとハイ受けの数値の差が大きくなると
    音質劣化が大きくなるのでしょうか?

    • umbrella
    • 2019年 7月 16日

    A:
    送り側の出力インピーダンスが0Ω / 受け側の入力インピーダンスが無限大 / またはその両方 である場合、計算上はロスがなくなります。
    理論上、音質劣化もなく最大の伝送効率で理想的なシグナル伝送ができる条件です。
    表現をお借りしますと「スーパーロー出し、スーパーハイ受け」の関係は音質劣化は起こらないと言えると思います。

    Q:
    もし音質劣化がないなら、インピーダンスマッチングなど ハイ出しロー受けにさえならなければ関係なく、
    600Ω出し600Ω受けも、600Ω出しMΩ受けも同じになって
    意味も必要もないことのように思えてしまいます。

    A:
    600Ωのインピーダンスマッチングはシグナルを電力として伝送する事を目的としており、ロー出しハイ受けとは考え方や得られる利点も異なります。

    オーディオ回線のインピーダンスマッチングは電話回線の技術が応用されていますので、考え方のベースに電力伝送があります。電話回線では、呼出ベルを鳴らしたり受話器のスピーカーを鳴らす電力が必要なので電力を効率よく送る事が必須。しかしオーディオ伝送だけであれば電力は必要ありません。600Ω伝送はロスが大きい(半分はロスとなります)、回路の大型化、コストもかかりますので600Ω伝送はメリットの大きい方式であるとは言い難いと思います。

    しかしながら、そこに意味がないかと問われれば違うと答えます。600Ω伝送の機器はトランスを用いた設計である事が多く、音色に関しては重宝されます。さらに600Ωのトランスバランス出力をハイインピーダンス入力で受けるのはロスが無く理想に近いです。これを、600Ωで受けた場合は、出力トランスの負荷が大きくなり、磁気飽和による倍音が増えますのでサウンドバリエーションとして利用価値のある音質に変化します。

    (因みに、ファンタム電源の48Vも電話回線の流れを汲んでいます。)

    Q:
    しかし、無茶苦茶な数値にされていないのが実際のプロ機器ですから
    やっぱりロー出しとハイ受けの数値の差が大きくなると
    音質劣化が大きくなるのでしょうか?

    A:
    上述しましたように、ロー出しハイ受けの数値の差は大きいほどロスが小さく、音質劣化も小さいと考えることができます。

    実現可能な範囲で考えて 送り側 0.1Ω これを100MΩで受けたとしてもなんの支障もなく、音質劣化も起こらないと言えると思います。

    ただし、
    0.1Ωだとプラグの抜き差し時にショートしたら大電流が流れ故障に繋がり、下手すれば発煙・発火など大変危険です。100MΩの入力端子は開放状態ではノイズを拾いやすく、注意や工夫が必要です。(もちろん接続され動作している時は何の問題もありません。)

    実際 現実的なところではそれらの対策も兼ねて、送り50Ωから1kΩ / 受け10kΩから1MΩ あたりで設計されます。

    例にあげていただいたように、200Ωで出し1MΩで受けるのはなんの支障もなく音質劣化もない理想に近い伝送ができる条件であると言えます。

    • 2019年 7月 17日

    別記事でも親切なご回答有り難う御座いました。
    まさに知りたいことでしたので大変勉強になりました。

    例えスーパーロー出し、スーパーハイ受けであっても音質劣化のない旨を
    学術的な意味はともかく、音質劣化がないということは理解出来ました。

    それを踏まえまして2つほど疑問が御座いまして
    もしお許し下さればお答え頂けましたら幸いです。

    【疑問①】インピーダンスによる音質変化

    マイクプリ(FOCUSRITEのISAやIK Multimeda AXE I/O)のように入力インピーダンスを変更出来て、
    それによって音質を調整?出来る機器があります。

    また「インピーダンスついてアンブレラカンパニーがわかりやすく解説」の記事では
    出力インピーダンスに対して入力インピーダンスの値が低いと「音もルーズさは少し出て図太く荒々しく倍音が豊かに響くサウンド」
    高いと「輪郭 がきっちりと出て、クセの少ないサウンド」と書かれておりました。

    ロー出しハイ受けを守るという前提で
    【音質劣化】は理論上しないけれど、
    入力側と出力側の差の大きさによって【音質変化】はありえるという理解で正しいでしょうか?
    入力が低いと太い、荒い、倍音多め、入力が高いとクリアー、明瞭、クセがないという感じです。

    もしそうなら
    スーパーロー出し、スーパーハイ受けでもOKみたいな大雑把な考えではなく
    やはりある程度音楽的な意図を持って調整する必要があるように感じます。

    【疑問②】EmpressのBuffer

    https://umbrella-company.jp/contents/buffer-pedal/
    バッファーって何だ?の記事でインピーダンスの説明を試みておられますが、
    EmpressのBufferのように出力インピーダンスを510 Ωまで下げるエフェクターは
    ①ギター→②Empress Buffer→③何かのストンプエフェクター→④アンプまで10mのケーブルのような構成の場合
    ③のストンプエフェクターはそれ自体の出力インピーダンス(例えばBOSSのエフェクターからの出力は1k~10kΩ強)を持っていて、
    ここまでまたインピーダンス変換がなされてしまいます?ので
    ②と③短い10cm程度のパッチケーブルで繋ぐならEmpress Bufferの恩恵を受けるのは②と③のごく短い間と③への
    入力時だけということになります。

    こうなるとせっかくのEmpressのBufferの恩恵も全体を通してみるとごく僅かに思えてしまいますが、
    エフェクターを通るごとにインピーダンスは毎回変わるので、
    この考えで合っておりますでしょうか?

    またこの場合でもEmpressのBufferの恩恵が全体にあるのでしたら
    ご教授願いたい次第です。

    お願い申し上げます。

      • umbrella
      • 2019年 7月 26日

      【疑問①】インピーダンスによる音質変化

      【回答①】 その通りでございます。ロー出しハイ受けの考え方は、主に音声信号をロスなく受ける、つまり音質劣化を防ぐという部分に着目しています。そして出し側と受け側のインピーダンスの比が大きい、ロスが減り音質劣化も少なくなります。

      と、インピーダンスマッチングの基本編ではこのような説明になります。ロー出しハイ受け という伝送の基本に則った説明です。

      そして、ご質問をいただいたあたりの内容になりますと、別のコンテンツでご紹介しようかと考えていましたが、せっかく面白い質問をいただいた良い機会ですので、ちょっとディープな要素を追加してインピーダンスマッチングの応用編として説明したいと思います。

      基本となる ロー出しハイ受け の考え方では、数値だけ追いかければ スーパーロー出し/スーパーハイ受け が理想と言えますが、それがオーディオ的においしいポイントかと言うと必ずしも一致していません、オーディオ回路の面白いところです。

      ロー出しハイ受けの基本は守りつつも、出しと受けのインピーダンス比を変える事は 好みの音質を追求する、音色のバリエーションを得る にあたっては有効です。むしろ、その音色がハマるならシグナルレベルのロス、周波数特性の乱れや歪みの増加などももちろんアリだと思います。そればかりか、意図する音色が得られるならロー出しハイ受けを厳守する必要もなく、あえて崩して音色変化や倍音の付加などを狙うパターンもありです。こういった変化はマイクとマイクプリアンプの組み合わせだったり、トランスバランス出力の機器とそれを受ける機器の組み合わせでは音色変化が顕著に現れる傾向があるので、その事を巧みに利用し入力インピーダンスの可変や切り替えできる機能を追加したマイクプリアンプは数多く見かけます。またトランスバランス出力の機器の中には、自らダミーロードを備えロー受けを再現し倍音を多く引き出す機能を搭載しトーンバリエーションを追加した機種もあります。

      これらのように入出力インピーダンスの相互作用による動作の変化を応用すれば音色を変化させる事が可能です。今まで以上に引き出せる要素もあれば、犠牲になるパラメーターも多かれ少なかれ出てきます、それらをひっくるめての音色変化です。また、その変化の幅は各条件により異なりますので、注意深く聴いてみて、何がどれくらい伸びて 何をどれくらい失ったか 変化を把握した上で サウンドを決定することが重要です。

      ロー出しハイ受けは基本中の基本として知っておくべき知識です。その上で、それを逆手にとりサウンドメイクに応用できる事、これも覚えておくと今後のレコーディングがより一層面白くなるはずです。

      【疑問②】Empressのbuffer

      【回答②】ご理解いただいているとおりです。ご提示いただいた条件であればEmpressのbuffer+の510 Ωという低いインピーダンスが影響する部分は、次の機器の入力端子まで上の例ですと②と③の間の短いパッチケーブルの部分だけです。

      このようにバッファーの類は接続順によってはその能力を持て余す場合があります、どうせ使うなら効果的に使いたいものです。

      伝送区間のインピーダンスは、送り側の出力インピーダンスと受け側の入力インピーダンスの並列合成インピーダンスとほぼ同じで、通常はロー出しハイ受けの関係なので送り側の出力インピーダンスで決まると覚えて良いでしょう。そして、その出力インピーダンスが作用している区間は、出力端子から次の機器の入力端子の間です。

      違うペダル③が繋がればそこからは③の出力インピーダンス値が伝送区間のインピーダンスとなります。この事もご理解いただいているとおりです。

      ただし③のぺダルがトゥルーバイパスならば、③をバイパスした時は電子回路を通過しませんので、そのまま④までbuffer+の出力インピーダンス値が適用されます。

      伝送区間のインピーダンスの管理が一番必要な部分はペダルボードからアンプまでの10mの部分です。距離が長く、外来ノイズが入り込むスキが多いです。また、長尺になればなるほど芯線とシールド線の間に生じる線間容量も大きくなり、高域の劣化も顕著に現れます。この区間をきちんとケアすることでシステム全体の音質改善につながります。

      せっかくEmpressのbuffer+を使うのであれば、

      ①ギター → ②Empress buffer+ Input → Loop Send → ③何かのストンプエフェクター → Empress buffer+ Loop Return → Output → ⑤ アンプまで10mのケーブル

      のように③はbuffer+のループ内に入れてしまいます。こうする事で伝送に適したbuffer+出力回路で長尺区間を伝送する事になりますので、音質劣化を防ぎ安定したシグナル伝送を可能にします。逆に、ループ接続でないならbuffer+ を導入する意義も半減すると言えるでしょう。buffer+ のインプットバッファーとアウトプットバッファー、この2つのバッファーを活かす事ができbuffer+ の能力を十分に使い倒すことができますのでループ接続を強くお薦めいたします。

      楽器の直後バッファーばかりが注目されがちですが、ペダルボードの最後尾に置く使い方も効果的ですのでぜひお試しください。

    • 2019年 8月 04日

    親切なご回答有り難う御座います。

    やはりただ機械的にロー出しハイ受けならなんでもOKみたいな
    雑な考えではなく、入力インピーダンスで音が変わるということがわかりまして
    大変有り難く思います。

    インピーダンス可変の機種でその効果を色々と実験してみたい次第です。

    またEmpressのbufferの恩恵を引き出す使い方に関してもご教授下さいまして有り難う御座いました。

    この度は丁寧にお答え下さいまして有り難う御座います。

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