オーディオイコライゼーション

音声録音および再生におけるイコライゼーション、または単にEQとは、音声信号内の異なる周波数帯域の音量を調整するプロセスです。これを実現するために使用される回路または機器はイコライザーと呼ばれます。^{[ 1 ] [ 2 ]}

ほとんどのハイファイ機器は、低音と高音の調整に比較的シンプルなフィルターを使用しています。グラフィックイコライザーとパラメトリックイコライザーは、オーディオ信号の周波数成分をより柔軟に調整できます。放送局やレコーディングスタジオでは、不要な音を除去したり、特定の楽器や声を際立たせたりするなど、より詳細な調整が可能な高度なイコライザーを使用しています。このような機能から、これらは「周波数ごとのボリュームノブ」と適切に表現できます。^{[ 3 ]： 73}

イコライザーは、レコーディングスタジオやラジオスタジオ、制作コントロールルーム、ライブサウンドの補強、ギターアンプなどの楽器アンプで使用され、マイクロフォン、楽器のピックアップ、スピーカー、ホールの音響特性の応答を補正または調整します。^{[ 2 ]} イコライゼーションは、不要な音（例えば、ギターアンプから発生する低周波ハム音）を除去したり低減したり、特定の楽器や声をより目立たせたり（または目立たなくしたり）、楽器の音色の特定の側面を強調したり、拡声システムでのフィードバック（ハウリング）を抑制したりするためにも使用されます。^{[ 1 ] [ 2 ]}イコライザーは、音楽制作においても、個々の楽器や声の周波数成分を調整することで音色を調整し、ミックス全体の周波数スペクトルに個々の楽器を適合させるために使用されます。^{[ 3 ] : 73–74}

等化の概念は、電子増幅器の発明以前に、受動フィルタを用いて電話回線の周波数応答を補正する際に初めて適用されました。当初、等化は、逆の応答特性を持つフィルタを適用することで電気システムの不均一な周波数応答を補償し、伝送の忠実度を回復するために使用されました。システムの正味周波数応答のグラフは、どの周波数における応答も他のどの周波数における応答と等しくなるため、平坦な線になります。これが「等化」という用語の由来です。

その後、この概念はオーディオエンジニアリングに応用され、録音、再生、ライブサウンド補強システムの周波数特性を調整するために用いられるようになりました。サウンドエンジニアは、スピーカーから聞こえる音楽の周波数バランスが、マイクロフォンで拾った元の演奏により近いものになるように、サウンドシステムの周波数特性を補正します。オーディオアンプには、周波数特性を調整するためのフィルターやコントロールが古くから備わっています。これらは多くの場合、可変の低音および高音コントロール、そして低周波のランブルノイズと高周波のヒスノイズをそれぞれ除去するためのローカットフィルターまたはハイカットフィルターを適用するスイッチの形をとっています。

グラフィックイコライザーをはじめとする、音質向上を目的として開発された機器は、その後、録音エンジニアによって美的理由から周波数特性を調整するために使用されるようになった。そのため、オーディオエレクトロニクスの分野では、イコライゼーションという用語は、意図に関わらず、こうしたフィルターの適用を広く指す言葉として用いられるようになった。したがって、この広い定義には、リスナーやエンジニアが利用できるすべての線形フィルターが含まれる。

音声イコライゼーションは、音楽、映画、ドラマ、会話、ゲームなど、ユーザーが選択したオーディオモードに基づいて行うことができます。^{[ 4 ]}

ブリティッシュEQまたはブリティッシュスタイルのイコライザーは、1950年代から1970年代にかけてAmek、 Neve、Soundcraftなどの英国企業が製造したミキシングコンソール^{[ 5 ]}に搭載されていたイコライザーと同様の特性を持つものです。その後、他のメーカーが製品を販売し始めると、これらの英国企業は自社のイコライザーが他社製品より優れていると宣伝し始めました。今日では、BehringerやMackie ^{[ 6 ]}などの多くの非英国企業が、自社製品にブリティッシュEQを搭載していると宣伝しています。ブリティッシュスタイルのEQは、高価な英国製ミキシングコンソールの特性を再現しようとしています。

音声周波数のフィルタリングは、少なくとも音響電信^{[ 7 ]}や多重化全般にまで遡ります。ラジオ局のコンソールが放送だけでなく録音にも使用されるようになると、オーディオ電子機器はフィルタリング要素を組み込むように進化しました。初期のフィルターには、固定周波数中心と固定カットまたはブーストレベルを備えた基本的な低音と高音のコントロールが含まれていました。これらのフィルターは広い周波数範囲で機能しました。オーディオ再生における可変イコライゼーションは、 1920年代にRCAで働いていたジョン・フォルクマンによって初めて使用されました。そのシステムは、映画館のサウンド再生システムのイコライゼーションに使用されました。^{[ 8 ] [ 9 ]}

アート・デイビスが設計したランジュバン EQ-251-A は、スライド コントロールを使用した最初のイコライザーでした。2つのパッシブ イコライゼーション セクション、ベース シェルビング フィルター、およびパス バンド フィルターを備えていました。各フィルターは周波数を切り替え可能で、15 ポジションのスライド スイッチを使用してカットまたはブーストを調整しました。パッシブ設計では、14 dB のメイクアップ ゲインが必要でした。^{[ 10 ]}ソルトレイク シティで生まれたデイビスは、人生のほとんどを南カリフォルニアでシネマ エンジニアリング (1938 年以降)、ランジュバン、エレクトロダイン、セテック、アルテックなどの一連の会社で働きました。^{[ 11 ]}最初の真のグラフィック イコライザーは、デイビスのシネマ エンジニアリング社が 1950 年代に開発したアクティブ チューブ デバイスであるタイプ 7080 でした。これは、それぞれ 1.5 オクターブ幅の 6 つのバンドを備え、ブーストまたはカットの範囲は 8 dB でした。スライド スイッチを使用して、各バンドを 1 dB ステップで調整しました。3 つの加算アンプがフィルター回路で失われたゲインをスムーズに復元しました。デイビスは1961年に7つのスライダーを備えたLangevin EQ-252-Aを発表し、その後Altec Lansing向けに改良してModel 9062A EQを開発し、これは1970年代まで売れ続けました。^{[ 12 ]} 1967年、デイビスは最初の1/3オクターブ可変ノッチフィルターセットであるAltec-Lansingの「Acousta-Voice」システムを開発しました。^{[ 9 ]}   

1966年、バージェス・マクニールとジョージ・マッセンバーグは、新しいレコーディングコンソール用のチューナブルEQを構想した。マッセンバーグの友人であるボブ・ミューショーがそのイコライザーを製作した。マッセンバーグによれば、「現代のコンセプトの功績を主張できるのは、ボブ・ミューショー、バージェス・マクニール、ダニエル・フリッキンガー、そして私の4人かもしれない…我々（ボブ、バージェス、そして私）のスイープチューナブルEQは、1966年か1967年頃にバージェスと私が考えたEQのアイデアから生まれた…レコーディングコンソールの3つのバンドそれぞれのパラメーターを独立して調整する3つのコントロール…私は1972年のロサンゼルスショーでパラメトリックに関するAES論文を執筆し発表した…これはスイープチューナブルEQに関連付けられた「パラメトリック」の最初の言及である。」^{[ 13 ]}

ダニエル・N・フリッキンガーは、 1971年初頭に最初のパラメトリック・イコライザーを発表しました。彼の設計は、彼自身が設計した高性能オペアンプである535シリーズ^{[ 14 ]}を活用し、それまで不可能だったフィルタリング回路を実現しました。1971年初頭のフリッキンガーの特許^{[ 15 ]}は、今日までオーディオ・イコライゼーションを支配することになる回路トポロジーと、その洗練された回路の理論的基礎を示していました。周波数帯域ごとにスライド・ポテンショメータやロータリー・スイッチを使用する代わりに、フリッキンガーの回路は、オーディオ・スペクトル全体にわたる3つの重なり合う帯域で、周波数とカット／ブースト・レベルを任意に選択できるようにしました。初期のEQでは、6つのノブでこれらのスイープ可能なフィルタを制御しました。最大6つのスイッチが組み込まれており、高域と低域の帯域でシェルビングを選択したり、未使用の帯域をバイパスして最も純粋な信号経路を実現したりしました。

その後すぐに、ジョージ・マッセンバーグ（1972年）とITI社のバージェス・マクニールから同様の設計が登場した。1972年5月、マッセンバーグはオーディオエンジニアリング協会の第42回大会で発表した論文でパラメトリックイコライゼーションという用語を使用した。^{[ 16 ]} 1971年から現在までに製造されたミキシングコンソールのほとんどのチャンネルイコライゼーションは、セミパラメトリックまたはフルパラメトリックトポロジーのいずれかで、フリッキンガー、マッセンバーグ、マクニールの設計に基づいている。 1990年代後半から2000年代にかけて、パラメトリックイコライザーはデジタル信号処理（DSP）機器として、通常はさまざまなデジタルオーディオワークステーションのプラグインの形で、ますます入手しやすくなった。DSPパラメトリックイコライザーのスタンドアロンのアウトボード機器バージョンも、ソフトウェアバージョンに続いてすぐに登場した。

イコライゼーション機能の範囲は線形フィルタの理論によって規定されるが、それらの機能の調整方法や調整の柔軟性は、回路のトポロジーやユーザーに提示される制御方法によって異なる。

シェルフコントロールは通常、カットオフ周波数よりもはるかに高い周波数と低い周波数の相対的なゲインを調整する単純な一次フィルタ関数です。ほとんどのハイファイ機器のベースコントロールのようなローシェルフは、カットオフ周波数よりはるかに高い周波数には影響を与えずに、低い周波数のゲインに影響を与えるように調整されます。トレブルコントロールのようなハイシェルフは、高い周波数のゲインのみを調整します。これらは、厳密な意味でのイコライゼーションを提供するというよりも、リスナーの満足度を高めることを目的とした大まかな調整です。

パラメトリックイコライザーは、1 つ以上のセクションを持ち、各セクションは 2 次フィルタ機能を実装します。これには 3 つの調整が含まれます。中心周波数 ( Hz単位) の選択、帯域幅の鋭さを決定するQの調整、および選択された中心周波数よりかなり上または下の周波数に対して、これらの周波数がどれだけブーストまたはカットされるかを決定するレベルまたはゲイン コントロールです。セミパラメトリックイコライザーでは、帯域幅は設計者によってプリセットされます。準パラメトリックイコライザーでは、ユーザーは帯域幅の切り替え可能なオプションを限定的に利用できます。^{[ 17 ]}

グラフィックイコライザーも、よりユーザーフレンドリーな方法で2次フィルタ機能を実装していますが、柔軟性はやや劣ります。この機器は、最大31の周波数帯域でオーディオスペクトルをカバーするフィルタバンクに基づいています。各2次フィルタは、中心周波数とQ値が固定されていますが、レベルは調整可能です。ユーザーは各スライダーを上げ下げすることで、目的の周波数特性のグラフを視覚的に近似することができます。

音声再生におけるイコライゼーションは、機器や伝送チャネルの欠点を厳密に補うために使用されるものではありません。ハイパスフィルターは、低周波のみを除去することで信号を変更します。その例として、ローカットフィルターまたはランブルフィルターがあり、これは、アンプの電力を過剰に消費し、スピーカーの振動板の過剰な振動（または損傷）を引き起こす可能性のある超低周波エネルギーをプログラムから除去するために使用されます。ローパスフィルターは、高周波のみを除去することで音声信号を変更します。その例として、ハイカットフィルターまたはヒスフィルターがあり、これは、プログラム素材の鮮明さを犠牲にして、不快なホワイトノイズを除去するために使用されます。

1次ローパスフィルタまたはハイパスフィルタは、カットオフ周波数よりかなり上または下の不要な周波数を 1オクターブあたり6 dBの傾斜で低減する標準的な応答曲線を持ちます。^{[ a ]} 2次フィルタは、これらの周波数を1オクターブあたり12 dBの傾斜で低減し、さらに、カットオフ周波数付近でより急峻な応答を実現するために、より高いQ値または有限の零点 を持つように設計できます。たとえば、2次ローパスノッチフィルタセクションは、非常に高い周波数のみを低減（除去ではなく）しますが、特定の周波数（いわゆるノッチ周波数）でゼロに急峻に低下する応答を持ちます。このようなフィルタは、たとえば、19 kHz FMステレオサブキャリアパイロット信号を完全に除去し、ステレオデマルチプレクサから残っているさらに高い周波数のサブキャリア成分を除去するのに役立つ場合に最適です。 

オーディオイコライザーは、周波数帯域の相対振幅を調整するだけでなく、通常はそれらの周波数の相対位相も変更します。人間の耳はオーディオ周波数の位相にそれほど敏感ではありませんが、^{[ 18 ]}音楽の専門家は、可聴位相アーティファクトを介して音楽コンテンツの音色に影響を与えるため、特定のイコライザーを好む場合があります。^{[ 19 ]}

グラフィックイコライザー

グラフィックイコライザー（略してGEQ）^{[ 22 ]}では、入力信号はフィルターバンクに送られます。各フィルターは、それぞれの周波数範囲または帯域に存在する信号部分を通過させます。各フィルターを通過する振幅は、スライドコントロールを使用して調整され、そのフィルターを通過する周波数成分を増幅またはカットします。したがって、各スライダーの垂直位置は、その周波数帯域に適用されるゲインを示し、スライダーは周波数に対してプロットされたイコライザーの応答のグラフに似ています。

周波数チャンネルの数は、用途に応じて調整できます。カーオーディオ用イコライザーは、合計で5～10の周波数バンドを持つ場合があります。プロのライブサウンド用イコライザーは、フィードバックの問題をより正確に制御し、ルームモードを均一化するために、通常25～31バンドを備えています。このようなイコライザーは、フィルターの中心周波数が1/3オクターブ間隔で配置されているため、1/3オクターブイコライザー（非公式には「1/3オクターブEQ」とも呼ばれます）と呼ばれ、1オクターブあたり3つのフィルターがあります。1オクターブあたりのフィルター数が半分のイコライザーは、それほど精密な制御が求められない場合によく使用され、この設計は2/3オクターブイコライザーと呼ばれます。

パラメトリックイコライザー

パラメトリックイコライザーは、ゲイン、中心周波数、帯域幅という3つの主要なフィルタパラメータをユーザーが制御できるマルチバンド可変イコライザーです。ゲインは、ブーストまたはカットの調整を可能にします。中心周波数は、影響を受ける周波数を制御します。帯域幅（ Q値に反比例します）は、影響を受ける周波数の範囲を制御します。パラメトリックイコライザーは、他のイコライザーよりもはるかに精密な調整が可能で、録音やライブサウンドの補強によく使用されます。

パラメトリックイコライザーの派生形として、セミパラメトリックイコライザーというスイープ可能なフィルターがあります。これは、ゲインと周波数を制御できますが、帯域幅はあらかじめ設定されています。場合によっては、セミパラメトリックイコライザーでは、広い帯域幅と狭い帯域幅のどちらかを選択できるものもあります。

線形フィルタの応答は、伝達関数、あるいは分かりやすく言えば周波数応答によって数学的に記述されます。伝達関数は、一次応答と二次応答（バイカッドセクションとして実装される）の組み合わせとして分解できます。これらは、極周波数と零周波数によって記述でき、二次応答の場合は複素数となります。

一次フィルタ

一次フィルタは、ある点より上と下の周波数の応答を変更できます。遷移領域では、フィルタ応答はオクターブあたり最大 6 dBの傾斜を持ちます。^{[ a ]}ハイファイシステムの低音と高音のコントロールはそれぞれ一次フィルタであり、1 つのノブを使用してある点より上と下の周波数のバランスを調整します。一次フィルタの特殊なケースとして、低周波数または高周波数の 6 dB/オクターブのカットが無限に続く一次ハイパスフィルタまたはローパスフィルタがあります。これらは、コンデンサと抵抗のみを必要とするため、個別に実装するのが最も簡単なフィルタです。  

2次フィルタ

2次フィルタは、特定の周波数付近で共振（または反共振）を起こすことができます。2次フィルタの応答は、周波数だけでなくQ値によっても決まります。Q値が高いほど、特定の中心周波数付近での応答はよりシャープ（帯域幅が狭い）になります。例えば、添付画像の赤い応答は、100  Hz付近の周波数をカットしますが、これは1000 Hz付近の周波数をブーストする青い応答よりも高いQ値です 。Q値が高いほど共振特性を示し、その場合の半値幅、すなわち-3  dB帯域幅BWは、次式で与えられます。

${\displaystyle BW\ =\ F_{0}/Q}$

ここで、F ₀は 2 次フィルタの共振周波数です。BWは、 F ₀と同じ周波数単位で表された帯域幅です。Q 値が低いフィルタ応答 ( Q  < 1/2の場合) は共振しているとはみなされず、上記の帯域幅の式は適用されません。

バンドパス関数のQ値は、次のように定義することもできます。

${\displaystyle Q\ =\ {\frac {\sqrt {2^{N}}}{2^{N}-1}}\ =\ {\frac {1}{2\sinh \left({\frac {\ln(2)}{2}}N\right)}},}$

ここでNはオクターブ単位の帯域幅である。逆マッピングは次のようになる。

${\displaystyle N\ =\ 2\log _{2}\left({\frac {1}{2Q}}+{\sqrt {{\frac {1}{4Q^{2}}}+1}}\right)\ =\ {\frac {2}{\ln(2)}}\operatorname {arsinh} \left({\frac {1}{2Q}}\right).}$

Q値が1/2未満の2次フィルタ応答は、ローカットとハイカット（またはブースト）という2つの1次フィルタ関数に分解できます。より興味深いのは、狭い周波数範囲をブースト（またはカット）できる共振フィルタ関数です。中心周波数F0_とQを指定することに加えて、フィルタの零点を指定することで、その周波数帯域がどれだけブースト（またはカット）されるかが決まります。したがって、パラメトリックイコライザーセクションには_、中心周波数F0 、帯域幅またはQ、および通常dBで表されるブーストまたはカット量の3つのコントロールがあります。

2次フィルタ関数の範囲は重要です。なぜなら、任意のアナログフィルタ関数は、（通常は少数の）これらの関数（加えて、場合によってはより単純な1次応答）に分解できるからです。これらはパラメトリックイコライザーの各セクションで直接実装され、明示的に調整されます。また、フィルタバンクに基づくグラフィックイコライザーの各要素には、バンドごとに1つのこのような要素が含まれており、そのQ値とF0_値はユーザーが調整できません。

録音において、イコライゼーションは、実用的または美的理由から周波数特性を調整するために使用され、その結果として、通常は異なる周波数に対して意図的に不均等な音量レベルになります。 ^{[ 23 ]}例えば、イコライゼーションは楽器の音色を変更したり、特定の楽器や音をより目立たせるために使用されます。録音エンジニアは、ボーカルパートの高音域を大きくし、ドラムパートの低音域を小さくするためにイコライザーを使用する場合があります。^{[ 1 ] [ 2 ]}

イコライゼーションは、ミックスの奥行きを増し、モノラルまたはステレオミックス内の一部の音が他の音よりも遠くにあるか近くにあるかという印象を与えるためによく使用されます。 ^{[ 3 ]： 75-76}イコライゼーションは、類似した周波数成分を持つトラックに相補的なスペクトル輪郭を与えるためにもよく使用されます。ミラーイコライゼーション。ベースギターとキックドラムなど、本来なら競合するはずのパートの特定のコンポーネントを、一方のパートではブーストし、もう一方のパートではカットすることで、両方のパートが際立つようにする。 ^{[ 3 ]： 76-77}

イコライザーは、部屋の音響特性によって生じる問題を補正することができます。講堂は一般的に、定在波や音響減衰の影響で周波数特性が不均一になる傾向があります。例えば、スペクトラムアナライザーとピンクノイズ発生器を用いて部屋の周波数特性を分析することができます。そして、グラフィックイコライザーを調整することで、部屋の音響特性を補正することが可能です。このような補正は、ライブサウンドシステムやホームオーディオシステムだけでなく、レコーディングスタジオの音質調整にも応用できます。

マイクからの信号が増幅されてスピーカーシステムに送られるライブイベントでは、イコライゼーションは自然なサウンドの周波数特性を調整するだけでなく、フィードバックを除去するのにも役立ちます。マイクがスピーカーから発せられた音を拾うと、さらに再増幅されます。この音の再循環は、不快な共鳴音から大音量のハウリングまで歪みを引き起こす可能性があり、音響技術者はそのマイクのゲインを下げる必要があり、たとえば歌手の声の貢献を犠牲にする可能性があります。しかし、フィードバックは特定の周波数で問題となるため、その周波数付近のみゲインを下げることができます。これは、周波数に調整されたパラメトリックイコライザーを使用して行うことができます。イコライザーの減衰を狭い帯域幅（高Q）で調整することで、他のほとんどの周波数成分は影響を受けません。フィルターの中心周波数の信号が除去される極端なケースは、ノッチフィルターとして知られています。

イコライザーは、スピーカー自体を望ましい周波数特性を持つように設計するのではなく、スピーカーシステムの周波数特性を補正または変更するために使用できます。たとえば、Bose 901 スピーカーシステムは、低音域と高音域をカバーするために大小の別々のドライバーを使用していません。代わりに、すべて同じ 4 インチ径の 9 つのドライバーを使用しています。ただし、このスピーカーシステムにはアクティブ イコライザーが付属しており、これを信号経路に挿入すると、メーカーが意図した周波数特性が得られます。^{[ 24 ]}

トーンコントロール（通常はベースとトレブルと表記される）は、周波数バランスを大まかに調整するために、ほとんどのハイファイ機器に搭載されているシンプルなシェルビングフィルターです。ベースコントロールは、例えばダンスパーティーでドラムやベースのパートを強調したり、人の話し声を聞く際に耳障りな低音を軽減したりするのに使用できます。トレブルコントロールは、パーカッションの音をよりシャープで鮮やかなものにしたり、プログラム素材の中で強調されすぎている高周波をカットしたり、付随する高周波ノイズを軽減したり、あるいは単にリスナーの好みに合わせて調整したりするのに使用できます。

ランブルフィルターは、通常20～40Hzの範囲にカットオフ周波数を持つハイパス（ローカット）フィルターです。 これは人間の可聴域の低周波端にあたります。ランブルとは、レコードプレーヤーやターンテーブル、特に古い機種や低品質の機種で発生する低周波ノイズの一種です。ランブルフィルターは、このノイズが増幅されてスピーカーから出力されるのを防ぎます。カセットデッキの中には、録音時に同様の効果を発揮する切り替え可能なサブソニックフィルター機能を備えているものもあります。

クロスオーバーネットワークとは、 2ウェイ・スピーカーシステムのウーファーとツイーター（および3ウェイ・システムのミッドレンジ・スピーカー）にそれぞれ電気エネルギーを分配するように設計されたフィルターシステムです。これは通常、スピーカー筐体に組み込まれており、ユーザーからは見えません。しかし、バイアンプ方式では、これらのフィルターはラインレベルのオーディオ信号に作用し、低周波成分と高周波成分をそれぞれ別の増幅器に送り、それらの増幅器がウーファーとツイーターに接続されます。

イコライゼーションは、特定の通信チャネルや録音技術において相互的に使用されます。元の音楽は、周波数バランスを調整するために特定のフィルターを通過した後、チャネルまたは録音プロセスに進みます。チャネルの終端、または録音の再生時に、元のフィルターを正確に補正し、元の波形を復元する補完フィルターが挿入されます。たとえば、FM放送では、送信前にプリエンファシスフィルターを使用して高周波を強調し、すべての受信機には、それらを復元するための対応するディエンファシスフィルターが内蔵されています。ラジオが拾った背景雑音によって発生するホワイトノイズは、プリエンファシスされたプログラムとともに、高周波（最も目立つ周波数）でディエンファシスされるため、ノイズは聞こえにくくなります。テープレコーダーは、忠実度を維持しながらテープヒスを低減するために、同じアプローチを使用しています。一方、レコードの製造では、レコードのトラック上で大きな振幅を生み出す低周波の振幅を低減するためにフィルターが使用されます。これにより、溝が占める物理的なスペースが小さくなり、レコードにより多くの音楽を収めることができます。フォノカートリッジに接続されたプリアンプには、標準的なRIAAイコライゼーションカーブに従って低周波数を増幅する相補フィルターが搭載されています。

• ラウドネス補正
• 重み付けフィルター

• 耳でEQ周波数を識別する
• 計算機：オクターブあたりの帯域幅${\displaystyle N}$品質要因${\displaystyle Q}$そして戻る
• EQの概要
• オーディオEQクックブック
• PreSonusイコライザーの用語とヒント（ Wayback Machineアーカイブ、2017年4月30日）
• WikiRecordingのイコライゼーションガイド