CDとレコードの音質の違い

 

CDとレコードの音質の違い

CDとレコードの音質の違い

CDとレコードの音質について

結論から言ってCDの高域はレコードに比べて音質が劣ります。CDは中、低域は分解能に優れ、華やかに聞こえますが、高域はサンプリング周波数が低すぎて質が悪く、心地好い音とはいえません。

ＣＤの再生周波数は22KHzまで可能ですが、それは質を問わなければ可能というだけで、1か0、つまり有るか無いかという低レベルの音になります。

日曜の朝のTV番組の調査でＣＤとレコードを聴いた時、「人の脳波に違いが生じるのか？脳波測定の専門家が調べました。被験者にはどちらがレコードなのかを伝えず、約２分間測定を行い、α波とβ波を比較しリラックス時に出るα波と、緊張時に出るβ波の比率を調べたところ、測定した７人のうち、５名の方がレコードを聴いたとき、α波の優勢率が増え、β波の優勢率が下がり、レコードの方がリラックスできることが分かりました。」とあります。

追記　：　ＮＨＫの番組ヒューマニエンス2021/3/9放送では皮膚が２０KHz以上の音を感じ取り、快さを生み出すとありました。

たしかにCDの音を聞いていると聴き疲れして癒されないことがあります。

番組ではCDは帯域は２０KHzまでで、レコードは２０KHz以上の音が出せるので、その聞こえない高域がリラックス効果を生むと解説していましたが、本当にそれだけでしょうか？

ＣＤとレコードでは何が違うのか？

　私が昔エンジニアだったころに、D級アンプの開発（産業用途でオーディオ用ではありません）した経験があり、その経験からデジタルのＣＤとアナログのレコードの音質の違いについて考えてみました。

ウィキペディアのCDサンプリングについて以下のような記述があります。

「音楽CDで使用されるサンプリング周波数は44.1kHzであるため、直流から22.05kHzまでの音声波形を損なわずに標本化できる。あらかじめ、カットオフ周波数20kHzないし22kHz程度のローパスフィルターで前処理が行なわれているが、人の可聴域の上限20kHzにほぼ一致しているため、実用上問題なく音声を再現できることになる。」

注１：上記のローパスフィルター前処理とは折り返し雑音対策のために行う処理のことで、下記に記載したローパスフィルターとは役割が違います。

注２：標本可とは１か０かが分かるだけで質は問題にしていません。音楽再生にとっては実用上は大いに問題ありです。

音楽CDで使用されるサンプリング周波数は44.1kHzで、理論的に22KHｚまで再生できますが、音質面ではこのサンプリングが高域と中・低域ではどのように影響するのでしょうか

よく説明に使われる図として下の左のような図が使われますが、下図の例では細かくサンプリングされているので、元の波形に戻すのは問題なく綺麗に戻るでしょう。（下手な図で申し訳ありません）

デジタル化（量子化）されたものは下図のように階段状になりますが、ローパスフィルターで整形（高調波成分が取り除かれ）され元の波形に戻ります。

上の図は1周期当たり17回サンプリングしているので約３KHｚ程度の中域の音を示した図になりますので、中域以下は細かくサンプリングされますので音質的には問題ありません。

ところが２２KHzの音は４４KHzでサンプリングすると、１周期でたったの２回しかサンプリングされません。

 

以下は間違いです。理解不足でした。 

下記の ナイキスト定理についてを参照ください

 

 

それが下に示す図です。

サンプリングのタイミングを縦矢印で示します。

荒くサンプリングされた波形データは、再生時にD／A変換で一旦は矩形波（真ん中の図）になりますが、ローパスフィルターにより整形されて元の波形（右図）に戻ります。

これであれば何ら問題ないように見えますが、ところがたったの２回といううことはタイミングによっては低いレベルをサンプルして、下図のような状態にもなるということです。

見てわかるように元の波形より小さくなります。つまり高域ではサンプリングが荒いため実質的には元の波形に戻すことはできないのです。

もっと大きな問題があります。

一旦矩形波になりますが、矩形波となった波形には大きな２次高調波、3次高調波が含まれます。

この高調波をフィルターで取り除くわけですが、急峻なフィルターでも２次高調波を全て取り除くことはできませんので、実際にはかなり歪んだ波形(ほとんど矩形波）になります。

また急峻なローパスフィルターにすると出力インピーダンスや周波数特性にも悪影響を与えます。

加えて１０KHzの音では４回サンプリングですからまだまだサンプリングが荒く矩形波に近い波形になりますので、２次高調波が含まれます。

１０KHzの２次高調波は２０KHzですからローパスフィルターで取り除くことはできません。倍音だからいいのだとは言えません。偽物の音なのです。

このように４４KHzというサンプリングは非常に荒いサンプリングでとても聞けた音ではないということです。

これがＣＤの音で聴き疲れを起こし少しも癒されない原因の１つとなるわけです。

ではレコードはどのようになっているのでしょうか。

自然の音声は周波数分布において、高音域は音圧レベルが低く、（省略）・・・低音域は音圧レベルが高く、波形の振幅が過大であると隣接する音溝にも影響し、盤面の溝の送りピッチを大きくする必要が生じて、収録時間が短くなります。そのため、レコードでは原盤のカッティング時に、低音域を減衰させ高音域を強調して記録します。（Wikipediaより）

つまり周波数特性としては下図のような状態となり、情報量としては低域が少なく、高域は情報が多い状態であると言えます。

再生時には上記の逆に高域を下げ、低域を持ち上げる処理を行いますが、低域はもともと情報量が少ないので持ち上げても豊かな低音とはなりません。

中身がスカスカのポップコーンのようなもので、レコードの低域が物足りない感じがするのは、この影響といえます。

高域はというと、多い情報を圧縮し再生しますので綺麗な澄んだ音を再生することが可能となります。

加えてCDには無い２０KHｚ以上の音も含まれています。

CDは低域の情報が多く、高域は情報が少ない。レコードは低域の情報が少なく高域の情報が多いという、デジタル／アナログということだけではなく、情報量という側面から見てもCDとレコードは全く逆の特性を持ったメディアであることがわかります。

通常のCDはサンプリング周波数が低すぎて高域の音質が悪く、レコードの方が音質的にメディアとしては優位であると言えます。

ただし、レコードを超える媒体として１９２KHzのハイレゾであればCDの欠点を補い良質な高域の再生が可能となります。

 

 

ナイキスト定理について

 人間の耳で聞き取れる周波数の上限が約20 kHzと言われており、それを正確にデジタル化するためには「その2倍（40 kHz）以上のサンプリング周波数が必要」というナイキストの定理があります。 

CDの「44.1 kHz」は、この20 kHzの音をギリギリ完璧に再現できる最小限にして十分な数値として設計されています。そのため、20 kHzの最高音域では1周期あたりわずか約2.2点のデータ（サンプル）だけで波形の形を再現している仕組みになっています。 

直感的に「1波あたりたった2.2回しか測定しないなんて、波の形なんか分からないのでは？」と思われるのは非常に自然な疑問です。しかし驚くべきことに、サイン波（単一の周波数）であれば、1波あたり「2回より少しでも多ければ」、理論上は完全に元の波形を元の周波数・振幅・位相のまま復元できます。 

「音があるかないか（ON/OFF）だけ」になってしまうわけではなく、元の電圧レベル（音の大きさ）も正確に再現できるのです。その理由と仕組みを分かりやすく解説します。

 なぜ2回あれば波形（電圧レベル）が復元できるのか？

 CDなどのデジタルオーディオで使われている「標本化定理（ナイキスト＝シャノンン定理）」の核心は、「サンプリングされたデータの間を滑らかに繋ぐ曲線は、数学的に世界でただ1つしか存在しない」という点にあります。以下のポイントがそのカラクリです。CDの音は「四角い階段状」ではない

よくデジタル波形の解説で階段状の図が見られますが、あれはあくまでイメージです。実際のDAC（デジタル・アナログ変換回路）を通すときは、「ローパスフィルター（LPF）」というフィルターを通します。このフィルターは、サンプリングされた点と点の間を、物理的に最もスムーズな美しい曲線（サイン波）でピタリと繋ぐ役割を持っています。

​2つの点があればサイン波は一意に決まる

単一の周波数（サイン波）において、「山のほうの点」と「谷のほうの点」の高さ（電圧レベル）さえ分かれば、その間を結ぶ波の「振幅（音の大きさ）」と「位相（タイミング）」は逆算で1つに決定されます。

​20 kHzという限界ギリギリの音であっても、サンプリング点が2.2個あれば、ピーク（頂点）を取りこぼすことはあっても、「この高さとこのタイミングを通るサイン波は、宇宙でこの形しかない」という計算が成り立つため、完全に元の滑らかな波形として再生できます。

​「20 kHz」という限界の特殊性

​おっしゃる通り、20 kHzという「CDが扱える限界ギリギリの超高音」においては、余裕がほとんどないのは事実です。

​低い音（例えば1 kHz）の場合：

44,100 \div 1,000 = \mathbf{44.1 \text{ 回}}。1つの波を44回以上で細かくサンプリングするため、波の形がグラフでもハッキリと見えます。

​限界の音（20 kHz）の場合：

44,100 \div 20,000 = \mathbf{2.205 \text{ 回}}。波の形をキャプチャするスナップショットの数は激減しますが、それでも数学的な「復元マジック」がギリギリ成立するラインを死守しています。

​まとめ

「2回では音の有無しか分からない」というのは、人間の直感としては100%正しい感覚です。しかし、「波の性質（サイン波であること）」が予め分かっているという条件があれば、たった2回を少し超えるデータ（2.2回）だけで、電圧の高さ（振幅）も位相も完璧に復元できてしまうというのが、近代の標本化理論のすごいところです。

 

 

ローパスフィルタは何khzに設定するのですか？20Khzのサンプリングをローパスフィルタを通しても2次3次高潮波を取り除くのは難しいのでは 

ご懸念はまさにデジタルオーディオの歴史において最も技術者を悩ませた核心の問題そのものです。

「理論は分かっても、実際にフィルターをどう作るのか、高音域がグチャグチャになるのでは？」という疑問は完全に正しく、初期のCDプレイヤーはこの壁と格闘していました。この問題の仕組みと、エンジニアたちがどうやってそれを克服したのかを解説します。

1.ローパスフィルタ（LPF）はどこに設定するのか？

CDの規格では、サンプリング周波数が 44.1

kHz なので、理論上の限界（ナイキスト周波数）は 22.05 kHz です。 人間が聴き取れる音の上限は 20 kHz なので、LPFのカットオフ周波数は「20 kHzあたり」に設定されます。

ここで大きな問題が生じます。

·       守りたい音の限界：20 kHz

·       完全にカットしなければならない周波数（ナイキスト限界）：22.05 kHz

この間隔、わずか 2.05kHz しかありません。この「通したい領域から、遮断したい領域へ移行する幅」のことをトランジション・バンド（遷移域）と呼びますが、CDの場合はここが極端に狭すぎたのです。

2.「急峻すぎるフィルター」がもたらした弊害

2.05kHzという極狭の幅でスパッと音を消すためには、非常に次数の高い（回路規模の大きい）アナログの「急峻なローパスフィルタ（別名：ブリックウォール＝煉瓦の壁・フィルター）」を使う必要があります。

しかし、当時のアナログ回路でこれをやろうとすると、大きな問題が発生しました。

·       位相の乱れ（群遅延）：20 kHz付近の超高音域だけ、波のタイミングがズレてしまう。

·       高調波・歪みの発生：アナログ部品の限界による位相歪みや、特性の暴れ（リップル）が起きる。

初期（1980年代前半）のCDプレイヤーが「デジタル臭くて冷たい音」「高音が不自然」と言われた最大の原因は、まさにこのアナログ・ブリックウォール・フィルターの無理な設計にありました。

3.では、どうやって解決したのか？（オーバーサンプリングの魔法）

この問題を解決するために発明されたのが、のちに標準技術となった「オーバーサンプリング（超過サンプリング）」と「デジタルフィルタ」です。

1.    デジタル処理で倍のデータを作る プレイヤー内部で、44.1 kHzのデータを2倍（88.2 kHz）や4倍（176.4 kHz）、あるいはそれ以上にデジタル演算で水増し（補間）します。

2.    余裕のあるフィルタ設計にする 例えば4倍オーバーサンプリング（176.4 kHz）にすると、ナイキスト限界は 88.2 kHz に跳ね上がります。

o       通したい音：20 kHz

o       カットしたい音：88.2 kHz この結果、トランジション・バンドが「約68 kHz」という広大な幅に広がり、アナログフィルターを緩やかな設計（次数を下げたもの）にできるようになります。

3.    位相歪みのないデジタルフィルタの活用 急峻なカットオフが必要な処理も、音質に影響を与えない「デジタル計算（コンピュータの処理）」の段階で完璧に済ませてしまうため、アナログ回路に負担をかけずに綺麗な波形を取り出せるようになりました。

まとめ

ご指摘の通り、44.1 kHzのままアナログ回路だけで20 kHzのフィルターを通そうとすると、高音域の波形は位相が狂ったり高調波の処理に苦労したりと、非常に厳しい設計になっていました。近代のオーディオ機器や後期のCDプレイヤーでは、「デジタル領域で余裕を持たせて処理し、アナログの負担を極限まで減らす」というアプローチ（オーバーサンプリング）によって、その問題を見事にクリアしているのです。

 

2014年4月