オーディオ・コンポーネントの感度の理解と測定

2018年1月16日 Bruce Rose

オーディオ・コンポーネントの感度の理解と測定

マイクロフォンスピーカーブザーの共通仕様は感度です。このパラメータは、電気信号を音圧に関連付けます。このパラメータの定義と重要性を理解することは、エンジニアが設計に合う適切なオーディオ・コンポーネントを賢く選択するのに役立つという点で、非常に重要です。また、異なる測定条件で特性化された場合、感度仕様をどのように比較するか理解することも重要です。

マイクロフォンの感度とは何ですか?

マイクロフォンの感度のパラメータは、音声を電気信号に変換する際のマイクロフォンの効率を定量化します。より敏感なマイクロフォンは、特定の入力音圧によって駆動されると、より大きな出力電圧を生成します。電子増幅器は、効率の低いマイクロフォンからの出力信号をブーストするために使用できますが、その一方で増幅器はまた、目的の信号に関連する不要なノイズもブーストしてしまいます。テスト中のマイクロフォンからの出力電圧は基準電圧と比較され、結果比はdB単位で表されます。マイクロフォンの感度を表す式は次のように表されます。

S = 20 log10(V/Vref)

比較に使用される標準的な基準は、マイクロフォンからの1ボルトの出力信号であり、1パスカルの音圧がマイクロフォンに印加されます。dB単位で測定された測定の簡単なレビューとして、1パスカルの音圧から1ボルトの出力信号を生成するマイクロフォンは、感度は0dB(基準に等しい)となります。同じ音圧で2倍の出力電圧を生成するマイクロフォンは、感度定格が6 dB高くなり、出力電圧の1 / 10が感度定格20 dBを下回ります。ほとんどすべてのマイクロフォンは、0dB(負数)未満の感度仕様ですが、これは基準電圧は1ボルトで、試験中のマイクロフォンにより生成される電圧は通常1ボルト未満であるためです。

1パスカル以外の圧力レベルを特徴とするマイクロフォンの感度は、次の式を使い、1パスカルに等しく調整することが可能です。

Sadj = 20 log10(1/Pchar)

場所:
Sadjは、特性化された感度に対する調整です。P charは、特性化が実行された圧力レベルです例:
0.1Paでの - 70dBは、1Paで - 50dBになります( - 70 + 20 log10(1/0.1)= - 50 dB) 0.5Paでの - 60dBは、1Paで - 54dBになります( - 60 + 20 log10(1/0.5)= -54 dB)

通常のマイクロフォン感度テストの設定図
マイクロフォン感度テストの設定

スピーカー感度とは何ですか?

スピーカーの感度は、スピーカーに印加された電力を、リスナーが聴いた音圧又は音量に変換するスピーカーの能力の尺度です。マイクロフォンと同様に、スピーカーの感度も効率の点で考えることができます。より効率的なスピーカーは、既定の電気入力信号に対してより大きな音を生成します。効率の低いスピーカーは、より高い入力電力レベルで駆動することができますが、関連する増幅器は設計に対する追加コストとなり、スピーカーはより高い入力電力を処理できる能力が必要です。スピーカーを特性化するための標準的な構成は、スピーカーを無響室に置いて、マイクロフォンをスピーカーの1メートル前に置き、スピーカーを2.83ボルトの信号で駆動します(1ワットを8オーム )。

スピーカー感度の方程式は次のように表されます。

S = 20 log10(P/Pref)

数量PおよびPrefは、テスト中のスピーカーにより生成された音圧および基準の音圧レベルです。人間の聴力の最小音圧レベル(20μPa)が、通常基準圧力として使用されます。スピーカーの感度の特性化は、標準1ワット、1メートル、および20μPa以外の条件でも実行でき、 感度は標準状態に戻すことができます。

通常のマイクロフォン感度テストの設定図
通常のスピーカー感度テストの設定

駆動レベル

非標準の駆動レベルの補償は、次の式で表されます。

Sadj = 20 log10(Vstd/V) Sadj = 10 log10(Pwrstd/Pwr)

駆動信号がボルト単位で指定されている場合は、最初の式を使用します。一方、 第2の式は、駆動信号がワット単位で指定されている場合に適用されます(電力は2乗に比例します)。

例:
駆動信号の1Vでの70dBは、2.83V で79dBとなります(70 + 20 log10(2.83/1)= 79 dB)駆動信号の0.1 Wでの80dBは、1Wで90dBとなります(80 + 10 log10(1/0.1)= 90 dB)

測定距離

非標準測定距離の補償は、次の式で表されます。

Sadj = 20 log10(D/Dstd)

例:
測定距離の0.1メートルでの65dBは、1メートルで 45dBになります(65 + 20 log10(0.1/1)= 45dB) 測定距離の30 cmでの95dBは、1メートルで 85dBになります(95 + 20 log10(0.3/ 1)= 85 dB)

基準圧力

非標準の基準圧力の補償は、次の式で表されます。

Sadj = 20 log10(P/Pstd)

例:
基準音圧1Paの10104dBは基準音圧20μPa(10 + 20 log10(1/20*10-6)= 104 dB)

Web上で変換ツールを見つけて、非標準テスト条件の調整を計算するることができます。このようなアプリケーションの一例は、スピーカーSPL電卓です。

ブザー感度とは何ですか?

スピーカーと同様に、ブザー感度は入力電圧から発生する出力音圧によって特徴付けられます。また、入力駆動電圧、測定距離、および基準音圧もブザーが制御された測定条件になります。ブザーの入力駆動電圧は、通常は電源電圧です。同様に、非標準試験条件を修正するためにスピーカーに使用される式は、ブザーにも使用することができます。

通常のマイクロフォン感度テストの設定図
通常のブザー感度テストの設定

結論

マイクロフォン、スピーカー、ブザーの感度を理解することは、感度の仕様がこれらのコンポーネントの音圧と電圧の関係を表すため、プロジェクト用に指定または選択する際に重要となります。様々なサプライヤーからのオーディオ・コンポーネントを比較する場合は、測定条件が標準化されていることを確認することも重要です。測定条件が異なる場合は、単純な式により、非標準の測定条件からの変換ができ、適切な比較が行われます。

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Bruce Rose

Bruce Rose

主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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