クリッピング（オーディオ）

クリッピングは、アンプが過剰に駆動され、最大能力を超える出力電圧または電流を供給しようとしたときに発生する波形 歪みの一種です。アンプをクリッピング状態に駆動すると、定格電力を超える電力が出力される可能性があります。

周波数領域では、クリッピングにより高周波範囲に強い高調波が発生します (クリッピングされた波形が矩形波に近づくため)。信号の高周波重み付けが増加すると、信号がクリッピングされていない場合よりも ツイーターが損傷する可能性が高くなります。

ほとんどの場合、クリッピングに伴う歪みは望ましくなく、たとえ聞こえなくてもオシロスコープで確認できます。 ^[1]しかし、クリッピングは音楽、特にブルース、ロック、メタルなどのギター主体のジャンルでは芸術的な効果のためによく使用されます。

アンプが、電源が生成できる以上のパワーの信号を生成するようにプッシュされると、アンプは最大容量までしか信号を増幅しません。その時点で、信号はそれ以上増幅できません。アンプの最大容量で信号が単に「カット」または「クリップ」されるため、信号は「クリッピング」していると言われます。アンプの能力を超える余分な信号は単にカットオフされ、その結果、正弦波は歪んだ矩形波タイプの波形になります。

アンプには電圧、電流、熱の制限があります。電源または出力段の制限によりクリッピングが発生する場合があります。一部のアンプは、電源に蓄えられたエネルギーが枯渇するかアンプが過熱し始める前に、短時間クリッピングなしで ピーク電力を供給できます。

多くのエレキギター 奏者は、望ましいサウンドを得るために、意図的にアンプをオーバードライブ（または「ファズ ボックス」を挿入）してクリッピングを引き起こします（ギターの歪みを参照）。

オーディオマニアの中には、負帰還がほとんどまたは全くない真空管のクリッピング動作はトランジスタのクリッピング動作よりも優れていると考える人もいます。真空管はトランジスタよりも緩やかにクリッピングするため（つまり、ソフトクリッピングで、ほとんどが偶数倍音）、結果として高調波歪みが一般にそれほど不快ではなくなるからです。

ハードクリッピングを備えたトランジスタアンプでは、出力電流が増加し、トランジスタの両端の電圧が飽和電圧（バイポーラトランジスタの場合）に近づくにつれて、トランジスタのゲインが減少します（非線形歪みにつながります）。そのため、アンプの歪みを測定するための「フルパワー」は、通常、クリッピングより数パーセント低い値と見なされます。

クリップされた波形は、クリップされていない小さな波形よりもその下の領域が広いため、アンプはクリップ時に定格 (正弦波) 出力よりも多くの電力を生成します。この余分な電力は、スピーカーを損傷する可能性があります。アンプの電源を損傷したり、ヒューズを飛ばしたりすることもあります。

クリッピング状態で動作するアンプによって生成される高調波の高周波エネルギーが増加すると、接続されたスピーカーのツイーターが過熱して損傷する可能性があります。^{[2] [3]}

クリッピングは、処理 (例:オールパス フィルター) によって信号のスペクトル成分間の位相関係が変わり、過剰なピーク出力が生成される場合に、システム内で発生することがあります。システムが同じレベルの単純な正弦波信号をクリッピングなしで再生できる場合でも、過剰なピークがクリッピングされる可能性があります。

エレキギタリストは、望ましいサウンドを得るために 、頻繁に意図的にギターアンプをオーバードライブさせてクリッピングやその他の歪みを引き起こします。

デジタル信号処理では、信号が選択された表現の範囲によって制限されるときにクリッピングが発生します。たとえば、16 ビットの符号付き整数を使用するシステムでは、32767 が表現できる最大の正の値です。処理中に信号の振幅が 2 倍になると、たとえば 32000 のサンプル値は 64000 になるはずですが、代わりに整数オーバーフローが発生し、最大値の 32767 に飽和します。デジタル システムでは、デジタル プロセッサがオーバーフローし、サンプル値の最大ビットの大きさ、場合によっては符号さえも無視して、信号に大きな歪みが生じる場合に発生するラッピングよりもクリッピングの方が適しています。

クリッピングを回避する最も簡単な方法は、信号レベルを下げることです。あるいは、クリッピングなしでより高い信号レベルをサポートするようにシステムを改善することもできます。オーディオ愛好家の中には、スピーカーの定格の 2 倍を超える出力定格のアンプを使用する人もいます。リミッターを使用すると、信号の大きな部分 (ベースやスネアドラムなど) のレベルを動的に下げることができます。

多くのアンプ設計者は、クリッピングを防止するための回路を組み込んでいます。最も単純な回路は、クリッピング ポイントの約 1 デシベル手前で作動する高速リミッターのように機能します。1980 年代以降、入力段階で信号を制限するため、「ソフト クリップ」と呼ばれるより複雑な回路が使用されるようになりました。ソフト クリップ機能は、クリッピングの前に、たとえば最大出力電力の 10 dB 下から作動を開始します。出力波形は、指定された最大値より 10 dB 高い過負荷入力信号があっても、丸みを帯びた特性を維持します。^{[4] [5]}

クリッピングは避けることが望ましいですが、録音がクリッピングしてしまい、再録音できない場合は修復という選択肢があります。修復の目的は、信号のクリッピングされた部分の妥当な代替物を作成することです。

複雑なハードクリップ信号は、クリップされたピークに含まれる情報が完全に失われているため、元の状態に復元できません。ソフトクリップ信号は、元の信号が完全に失われることはないから、ケース依存の許容範囲内で元の状態に復元できます。この場合、情報損失の程度は、クリッピングによって引き起こされる圧縮の程度に比例します。帯域幅が制限された軽度のクリップ信号で、オーバーサンプリングが高ければ、完全に修復できる可能性があります。^[6]

クリップされた信号を部分的に復元する方法はいくつかあります。クリップされた部分がわかれば、部分的な復元を試みることができます。そのような方法の 1 つは、既知のサンプルの補間または外挿です。高度な実装では、連続的に微分可能な信号の復元を試みるために3 次スプラインが使用される場合があります。これらの再構成は元の信号の近似値に過ぎませんが、主観的な品質が向上する可能性があります。その他の方法としては、1 つのチャンネルのみがクリップされている可能性があるため、1 つのステレオ チャンネルから別のチャンネルに信号を直接コピーする方法があります。

クリッピングを修復するためのソフトウェアソリューションはいくつか存在し、結果や方法はさまざまです。例えば、CrumplePop ClipRemover、MAGIX Sound Forge、iZotope RX De-Clip、Acon Digital Restoration Suite、^[7] Adob​​e Audition、Thimeo Stereo Tool、CEDAR Audioのクリッピング除去ソリューション、^[8] Clip Fixなどの Audacityプラグインなどがあります。

アナログオーディオ機器では、クリッピングの原因はいくつかあります。

1. ソリッドステートトランスレスアンプのピークツーピーク出力は電源電圧によって制限されます。^[a]
2. アンプは非対称の出力振幅^[b]を持つ場合があり、出力波形の半分でクリッピングが早く始まることがあります。
3. 非安定化リニア電源を使用するオーディオ アンプでは、フィルタ コンデンサが十分に大きくない場合、リップル電圧によってクリッピングが発生し、AC ライン周波数の高調波も含まれる可能性があります。スイッチング モード電源では、リップル電圧とオーディオ帯域外でスイッチング周波数がより支配的になりますが、安定化電源ではリップル電圧は除去されます。
4. 真空管は、そのサイズ、温度、金属に応じて、一定時間内に限られた数の電子しか移動できません。その結果、出力電流の増加に伴って増幅度が低下し、ソフトクリッピングが発生します。
5. 増幅装置にも入力の制限がある場合があります。たとえば、バイポーラ トランジスタへの過剰なベース電流や、真空管への過剰なグリッド電流などです。これらの制限外で動作させると、入力信号が十分に高いインピーダンスソースから来ている場合は歪んだり、増幅装置が損傷して保護用の制限回路が必要になることがあります。以下を参照してください。
6. アンプは、意図的であるか否かを問わず、さまざまな理由から、電流出力または入力電圧を制限することがあります。意図的な制限回路は、通常の動作では効果を発揮することはなく、たとえば出力負荷抵抗が低すぎる場合や入力信号レベルが異常に高い場合のみに効果を発揮します。この形式のクリッピングの結果、電圧波形の平坦なトップは作成されず、むしろ電流波形の平坦なトップが作成される可能性があります。
7. 変圧器（真空管機器のステージ間および出力で最も一般的に使用されるもの）は、強磁性コアが電磁的に飽和するとクリップします。

回路のクリッピングは、元の入力信号と適用ゲインを調整した出力信号を比較することで検出できます。たとえば、回路の適用ゲインが 10 dB の場合、出力信号を 10 dB 減衰させて入力信号と比較することでクリッピングをテストできます。2 つの信号の差を使用してクリッピング検出インジケーターを点灯したり、前段の回路のゲインを下げてクリッピングを管理したりできます。^[9]

クリップされた信号は、多くの場合、2 乗化されます。この場合、3 次高調波はフーリエ変換のコンテキスト外れ値です。予想される正弦波の場合、奇数高調波の存在は、信号がハード クリップされたことを示唆することがよくあります。「ソフト クリップ」では、プラトーの両側に膝があり、低周波数スペクトルにいくつかの偶数倍音が存在することを示します。

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