オーディオパワー

オーディオ出力は、オーディオアンプからスピーカーに伝達される電力であり、ワットで測定されます。スピーカーに伝達される電力とその効率によって、生成される音響出力が決まります（残りの電力は熱に変換されます）。

アンプは出力できる電気エネルギーに制限があり、スピーカーは損傷したりオーディオ信号を歪ませたりすることなく音響エネルギーに変換できる電気エネルギーに制限があります。これらの制限、つまり電力定格は、互換性のある製品を見つけたり競合製品を比較したりする消費者にとって重要です。

オーディオエレクトロニクスでは、出力（アンプなど）や電力処理能力（スピーカーなど）を測定する方法がいくつかあります。

アンプの出力電力は電圧、電流、温度によって制限されます。

• 電圧: アンプの電源 電圧は、出力できる波形の最大振幅を制限します。これにより、特定の負荷抵抗に対するピーク瞬間出力電力が決まります。^{[1] [2]}
• 電流: アンプの出力デバイス (トランジスタまたは真空管) には電流制限があり、それを超えると損傷します。これにより、アンプが最大電圧で駆動できる最小負荷抵抗が決まります。 ^[3]
• 温度: アンプの出力デバイスは電気エネルギーの一部を熱として無駄にし、それが十分に早く除去されなければ、損傷するほどの温度まで上昇します。これが連続出力電力を決定します。^[4]

アンプの出力は価格に大きく影響するため、メーカーは販売を伸ばすために出力仕様を誇張する傾向があります。規制がないため、想像力を働かせて定格電力を宣伝することが一般的になり、1975 年に米国連邦取引委員会が市場に介入し、すべてのアンプ メーカーに、引用する他の値に加えて、エンジニアリング測定 (連続平均電力) を使用するよう要求しました。^[4]

スピーカーの場合、最大電力処理には熱的側面と機械的な側面もあります。

• 熱: スピーカーに送られるエネルギーのすべてが音として放出されるわけではありません。実際、大部分は熱に変換されるため、温度が上がりすぎないようにしてください。高レベルの信号が長時間続くと、すぐにわかる熱による損傷が発生したり、寿命やパフォーマンスの余裕が減ったりすることがあります。
• 機械的: スピーカー コンポーネントには機械的限界があり、非常に短い電力ピークでもそれを超過する可能性があります。一例として、最も一般的な種類のスピーカー ドライバーが挙げられますが、これは機械的な損傷なしに、ある変位限界を超えて内側または外側に移動することはできません。

米国には同様のスピーカー電力処理規制はありません。多くのスピーカー システムは周波数によって電力処理能力が大きく異なるため、問題ははるかに困難です (たとえば、高周波信号を処理するツイーターは物理的に小さく、簡単に損傷しますが、低周波信号を処理するウーファーはより大きく、より頑丈です)。

AC波形の瞬間電力は時間とともに変化するため、オーディオ電力を含むAC電力は時間平均として測定されます。これは次の式に基づいています: ^[5]

${\displaystyle P_{\mathrm {avg} }={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}v(t)\cdot i(t)\,dt\,}$

純粋な抵抗 負荷の場合、電圧と電流の波形の 二乗平均平方根(RMS) 値に基づく、より単純な式を使用できます。

${\displaystyle P_{\mathrm {avg} }=V_{\mathrm {rms} }\cdot I_{\mathrm {rms} }\,}$

純粋な抵抗負荷に安定した正弦波音（音楽ではない）が入力される場合、これは電圧波形のピーク振幅（オシロスコープで測定する方が簡単）と負荷の抵抗から計算できます。

${\displaystyle P_{\mathrm {avg} }={\frac {{V_{\mathrm {rms} }}^{2}}{R}}={\frac {{V_{\mathrm {peak} }} ^{2}}{2R}}\,}$

スピーカーは純粋な抵抗ではありませんが、これらの式はそのようなシステムの電力測定を概算するためによく使用されます。近似値は、製品の仕様書の参照として使用されることがあります。

テスト対象のアンプは、ピーク振幅が 6 V の正弦波信号を駆動できます (12 V バッテリーで駆動)。8オームのスピーカーに接続すると、次の結果が得られます。

${\displaystyle P_{\mathrm {avg} }={(6~\mathrm {V} )^{2} \over 2(8~\Omega )}\,\ =2.25~\mathrm {W} }$

実際の自動車システムのほとんどでは、アンプはブリッジ接続負荷構成で接続されており、スピーカーのインピーダンスは 4 Ω 以下です。高出力の自動車アンプは、DC/DC コンバータを使用してより高い電源電圧を生成します。

連続 平均正弦波電力定格は、オーディオ アンプ、場合によってはスピーカーの性能仕様の基本です。

前述のように、平均電力という用語は、時間経過に伴う瞬間電力波形の平均値を指します。これは通常、正弦波電圧の二乗平均平方根(RMS) から得られるため、 ^[6]しばしば「RMS 電力」または「ワット RMS」と呼ばれますが、これは誤りです。これは電力波形の RMS 値ではありません(RMS 値の方が大きいが意味のない数値になります)。^{[7] [8] [9] [10]誤った用語「ワット RMS」は、実際には ANSI 規格で使用されています。これは}公称値 とも呼ばれ、製品マークでその使用が義務付けられています。^[11]

継続的（「瞬間的」ではなく）とは、デバイスがこの電力レベルで長時間機能できること、つまり、損傷するほど温度が上昇することなく、発生した熱と同じ速度で熱を除去できることを意味します。

1974年5月3日、連邦取引委員会（FTC）は、多くのHi-Fiアンプ製造業者による非現実的な出力主張に対抗するため、アンプ規則^{[12] [13]を制定しました。この規則は、米国で販売されるアンプの広告および仕様のために、正弦波信号で実行される連続的な出力測定を規定しています。（詳細は、この記事の最後にある}「標準」のセクションを参照してください）。この規則は、1998年に修正され、パソコンで一般的に使用されるセルフパワースピーカーも対象となりました（以下の例を参照）。

通常、アンプの電力仕様は、連続正弦波信号でクリッピングの開始時の RMS 出力電圧を測定することによって計算されます。クリッピングは、指定された負荷抵抗に対する全高調波歪み(THD) の指定されたパーセンテージ (通常は 1%) として任意に定義されます。使用される一般的な負荷は、チャネルあたり 8 オームと 4 オームです。プロオーディオで使用される多くのアンプも 2 オームで指定されています。歪みが増加すると、かなり多くの電力を供給できます。一部のメーカーは、10% などのより高い歪みで最大電力を引用しており、許容される歪みレベルで測定した場合よりも機器がより強力に見えます。^[14]

連続電力測定は、実際にはオーディオ機器に見られる非常に多様な信号（高波高率の楽器の録音から 0 dB 波高率の方形波まで変化する可能性があります）を表すものではありませんが、アンプの最大出力能力を表す合理的な方法として広く認識されています。オーディオ機器の場合、これはほぼ常に人間の聴覚の公称周波数範囲である 20 Hz ～ 20 kHz です。

スピーカーでは、ボイスコイルと磁石構造の熱容量が連続電力処理定格を主に決定します。しかし、スピーカーの使用可能な周波数範囲の下限では、機械的な変位制限のために、必然的に電力処理が低減される可能性があります。たとえば、100ワットの定格のサブウーファーは、80ヘルツで100ワットの電力を処理できるかもしれませんが、25ヘルツでは、そのような周波数では、一部のエンクロージャーの一部のドライバーでは、アンプから100ワットに達するよりずっと前に、ドライバーが機械的限界を超えてしまうため、それほど多くの電力を処理できない可能性があります。^[15]

ピーク電力とは瞬間電力波形の最大値を指し、正弦波の場合は常に平均電力の2倍になります。^{[16] [1] [17] [18]}他の波形の場合、ピーク電力と平均電力の関係はピーク対平均電力比（PAPR）です。

アンプのピーク電力は、電圧レールと、電子部品が損傷することなく瞬間的に処理できる最大電流量によって決まります。多くのオーディオ信号は非常に動的な性質を持っているため、これは機器が急速に変化する電力レベルを処理する能力を特徴づけます。^[19]

しかし、このアンプは常に平均電力値よりも高い値を生成するため、文脈なしで広告に使用し、アンプが競合製品の 2 倍の電力を持っているかのように見せかける誘惑にかられることがあります。

総システム電力は、オーディオ エレクトロニクスでオーディオシステムの電力を評価するためによく使用される用語です。総システム電力は、スピーカーの電力処理やアンプの出力ではなく、ユニットの総消費電力を指します。ユニットの総消費電力は、おそらくアンプのピーク電力を除いて、他のどの電力定格よりも当然大きくなるため、これはいくぶん欺瞞的なマーケティング戦略と見なすことができます。アンプのピーク電力は、いずれにしても本質的に誇張された値です。^{[引用が必要]}棚置きステレオやサラウンド サウンドレシーバーは、総システム電力を使用して評価されることがよくあります。

システム全体の電力を使用してより正確な電力の見積もりを得る方法の 1 つは、アンプのクラスを考慮することです。これにより、クラスの効率を考慮して電力出力を推測できます。たとえば、クラス AB アンプの効率は 25% から 75% まで幅広く変化しますが [1]、クラス D アンプの効率は 80% から 95% とはるかに高くなります [2]。非常に効率の高いクラス D アンプであるROHM BD5421efs は、90% の効率で動作します。^[20]

場合によっては、オーディオ機器は、すべてのスピーカーのピーク電力定格を合計したシステム全体の電力で測定されることがあります。多くのホームシアターインボックスシステムはこの方法で評価されています。多くの場合、ローエンドのホームシアターシステムの電力定格は、高調波歪みのレベルも考慮されています。10% 程度まで高くなると、顕著になります。^[21]

PMPOは、ピーク・ミュージック・パワー出力^{[22] [23]}またはピーク瞬間パフォーマンス出力^[24]の略で、はるかに疑わしい性能指数であり、消費者よりも広告のコピーライターの関心が高い。^[25] PMPOという用語は、どの標準でも定義されたことがないが^[26]、システム内の各アンプの何らかのピーク電力の合計であると解釈されることが多い。製造元によって定義が異なるため、PMPOと連続出力の比率は大きく異なり、一方から他方に変換することはできません。ほとんどのアンプは、PMPOを維持できるのは、たとえ維持できたとしても非常に短い時間のみであり、スピーカーは、重大な損傷を伴わずに瞬間的なピーク以外のPMPOに耐えられるようには設計されていない。

知覚される「音量」は、音響出力パワーにほぼ対数的に比例して変化します。音響パワーの変化の関数としての知覚される音量の変化は、基準パワー レベルに依存します。知覚される音量を、基準パワーとは無関係な対数デシベル(dB) スケールで表すと便利であり、技術的にも正確です。10 dB の変化と知覚される音量の 2 倍の間には、ある程度直線関係があります。

パワーと知覚される音量の間のほぼ対数的な関係は、オーディオ システムの設計において重要な要素です。アンプのパワーとスピーカーの感度はどちらも、実現可能な最大音量に影響します。感度は通常、無響室の「自由空間」に吊り下げて測定するか (フルレンジ スピーカーの場合)、音源と受信機を屋外の「半空間」の地面に置いて測定します (サブウーファーの場合)。

知覚される音量が 2 倍/半分になると、スピーカーの感度が約 10 dB 増加/減少しますが、音響出力も約 10 倍/分割されます。感度が比較的控えめな 3 dB 増加/減少でも、音響出力は 2 倍/半分になります。「半分の空間」で測定する場合、グランドプレーンの境界によって音が放射される利用可能な空間が半分にカットされ、受信機での音響出力が 2 倍になるため、測定感度が 3 dB 増加するため、テスト条件を知っておくことが重要です。測定感度が ±3 dB 変化すると、知覚される音量を生成するために必要な電力も同様に 2 倍/半分になるため、一見「わずかな」感度の違いでも、アンプの電力要件が大きく変化する可能性があります。アンプの出力が増加すると、パワーアンプはますます実用的ではなくなるため、これは重要です。

多くの高品質の家庭用スピーカーの感度は ~84 dB から ~94 dB の間ですが、プロ仕様のスピーカーの感度は ~90 dB から ~100 dB の間です。'84 dB' の音源では、'90 dB' の音源を 100 ワットのアンプで駆動した場合、または '100 dB' の音源を 10 ワットのアンプで駆動した場合と同じ音響パワー (知覚される音量) を生成するために、400 ワットのアンプが必要になります。したがって、システムの「パワー」を測る良い方法は、意図したリスニング位置で、可聴周波数スペクトル全体にわたって、アンプとスピーカーを合わせたクリッピング前の最大音量を dB SPL でプロットすることです。等音量線で示されるように、人間の耳は低周波にはあまり敏感ではありません。そのため、適切に設計されたシステムは、クリッピング前に 100 Hz 未満で比較的高い音量を生成できる必要があります。

知覚される音量と同様に、スピーカーの感度も周波数と電力によって異なります。感度は、電力圧縮や高調波歪みなどの非線形効果を最小限に抑えるために 1 ワットで測定され、使用可能な帯域幅で平均化されます。帯域幅は、相対的な音量がピーク音量から少なくとも 6 dB 減衰する、測定された「+/-3 dB」カットオフ周波数間で指定されることがよくあります。スピーカーの製造元によっては、床/壁/天井の境界によって知覚される音量が増加する可能性がある周波数の極値でのスピーカーの実際の室内応答を考慮するために、代わりに「+3 dB/-6 dB」を使用する場合もあります。

スピーカーの感度は、オーディオ アンプが電圧源のように動作する傾向があるため、アンプの出力電圧が固定されているという前提で測定および評価されます。スピーカーの設計が異なるとスピーカーのインピーダンスが異なるため、感度は誤解を招く指標となる場合があります。インピーダンスが高いスピーカーは、測定された感度が低くなる場合があり、そのため、実際には効率が同じであっても、インピーダンスが低いスピーカーよりも効率が低いように見えます。スピーカー効率は、スピーカーが音響出力に変換する実際の電力の割合のみを測定する指標であり、スピーカーから特定の音響出力を実現する方法を調べるときに使用する方が適切な指標となる場合があります。

同一の相互結合スピーカー ドライバー (互いの間隔は波長よりはるかに短い) を追加し、2 つのドライバー間で電力を均等に分割すると、それらの総合効率が最大 3 dB 向上します。これは、単一のドライバーのサイズを大きくして振動板面積を 2 倍にした場合と同様です。周波数応答は一般にドライバーのサイズに比例するため、効率を向上させるには、大型ドライバーよりも複数のドライバーを使用する方が実用的です。

システム設計者は、スピーカー キャビネット内で相互に結合されたドライバーを使用したり、会場内で相互に結合されたスピーカー キャビネットを使用したりすることで、この効率の向上を活用します。ドライバー アレイ内のドライバーの総面積が 2 倍になるごとに、アレイ内の任意の 2 つのドライバー間の合計距離が約 1/4 波長を超える限界まで、効率が約 3 dB 増加します。

ドライバーの数が 2 倍になると、電力処理能力も 2 倍になり、アンプの総電力も 2 倍になると、相互結合ドライバーの数が 2 倍になるごとに、音響出力の合計が最大で約 6 dB 増加します。ダイアフラム、バスケット、導波管、ホーンを含む単一のドライバーの合計サイズがすでに 1 波長を超えている場合があるため、高周波数で複数のドライバーを使用した場合の相互結合効率の向上は困難になります。

波長よりはるかに小さい音源は、自由空間で全方向に放射する点音源のように動作しますが、波長より大きい音源は、それ自体が「グランドプレーン」として動作し、音を前方に放射します。この放射により、大規模な会場では高周波分散が問題になる傾向があるため、設計者は、さまざまな方向に向けたり、さまざまな場所に配置したりする複数の音源でリスニングエリアをカバーする必要がある場合があります。

同様に、スピーカーと床/壁/天井などの 1 つ以上の境界との距離が 1/4 波長よりはるかに短い場合、自由空間が半空間、1/4 空間、または 1/8 空間に変化して、有効感度が高まります。境界までの距離が 1/4 波長を超える場合、遅延反射によって知覚される音量が増大する可能性がありますが、コム フィルタリングや残響などの周囲の効果も引き起こし、特に小規模な会場や硬い反射面では、会場全体で周波数応答が不均一になったり、音が拡散して耳障りになったりする可能性があります。

指定されたリスニングエリア内の境界効果を補正するために、吸音構造、音拡散構造、およびデジタル信号処理が採用される場合があります。

チャールズ・「チャック」・マクレガーは、イースタン・アコースティック・ワークスの上級技術者として勤務していた頃、プロオーディオの購入者がスピーカーに適したサイズのアンプを選ぶためのガイドラインを執筆した。チャック・マクレガーは、アンプの最大出力定格はスピーカーの連続定格（いわゆる「RMS」）の2倍で、20%の誤差があるという経験則を推奨した。彼の例では、連続定格が250ワットのスピーカーには、最大出力が400～625ワットの範囲内のアンプが適しているという。^[27]

JBLは、自社のスピ​​ーカーをIEC 268-5規格（最近ではIEC 60268-5と呼ばれている）に従ってテストし、ラベル付けしていますが、システムの使用プロファイルに応じて、より微妙な推奨事項を持っています。これには、より根本的には、スピーカーを駆動するために使用される信号の（最悪の場合の）波高係数が含まれます。 ^[28]

1. 「ピーク過渡能力を維持する必要がある、注意深く監視されたアプリケーションの場合、システムは、IEC定格の2倍を供給できるアンプで駆動する必要があります。」例として、 IEC定格300ワットのスタジオモニターは、「ピーク信号は通常、システムのコンポーネントにほとんど負担をかけないほど短い期間である」という条件で、600ワット（RMS）のアンプで安全に駆動できます。^[28]
2. 「高出力が連続的だが歪みのない出力が発生する可能性のある日常的な用途では、システムの IEC 定格を供給できるアンプで電源を供給する必要があります」。これにはほとんどの消費者向けシステムが含まれます。「このようなシステムは、不注意でオーバードライブしたり、フィードバック状態になったりすることがあります。IEC 定格に等しいアンプで電源を供給すると、ユーザーは安全な操作を保証されます。」^[28]
3. 「楽器用途では、歪んだ（オーバードライブされた）出力が音楽の要件となる可能性があるので、システムは、システムの IEC 定格の半分しか出力できないアンプで駆動する必要があります。」これは、たとえば、通常「300 ワットの歪みのない正弦波」を出力するアンプが、クリッピング時（つまり、出力が方形波に近づくとき）に 600 ワット近くの電力に達する可能性があるため、必要です。このようなシナリオが妥当である場合、スピーカーを安全に動作させるには、アンプの（RMS）定格がスピーカーの IEC 電力の半分以下である必要があります。^[28]

アクティブ スピーカーは、チャンネルごとに 2 つまたは 3 つのスピーカーで構成され、各スピーカーには独自のアンプが装備され、その前に電子クロスオーバーフィルターが配置されて、低レベルのオーディオ信号を各スピーカーが処理する周波数帯域に分離します。このアプローチにより、低レベル信号に対して複雑なアクティブ フィルターを使用できるようになります。高電力処理能力があるがロールオフが制限され、大型で高価なインダクタやコンデンサーを使用するパッシブ クロスオーバーを使用する必要はありません。もう 1 つの利点は、信号が 2 つの異なる周波数帯域で同時にピークを持つ場合、ピーク電力処理が大きくなることです。1 つのアンプは、両方の信号電圧がピークにあるときにピーク電力を処理する必要があります。電力は電圧の 2 乗に比例するため、両方の信号が同じピーク電圧にあるときのピーク電力は、電圧の合計の 2 乗に比例します。別々のアンプを使用する場合は、各アンプが自分の帯域でピーク電圧の 2 乗を処理する必要があります。たとえば、ベースとミッドレンジがそれぞれ 10 W の出力に相当する信号を持つ場合、40 W のピークを処理できる単一のアンプが必要になりますが、それぞれ 10 W を処理できるベースとトレブルのアンプがあれば十分です。これは、広帯域パーカッションや高振幅のベース音など、同程度の振幅のピークが異なる周波数帯域で発生する場合に当てはまります。

ほとんどのオーディオ アプリケーションでは、低周波数でより多くの電力が必要になります。このため、低周波数には高出力アンプ (例: 20～200 Hz 帯域で 200 ワット)、中音域には低出力アンプ (例: 200～1000 Hz で 50 ワット)、高音域にはさらに低出力アンプ (例: 1000～20000 Hz で 5 ワット) が必要です。2/3 アンプ システムを適切に設計するには、ドライバー (スピーカー) の周波数応答と感度を調べて、最適なクロスオーバー周波数とパワー アンプの電力を決定する必要があります。

ピーク瞬間電力出力とピーク音楽電力出力は、異なる仕様を持つ 2 つの異なる測定方法であり、互換的に使用すべきではありません。パルスやパフォーマンスなどの異なる言葉を使用するメーカーは、意味が不明な独自の非標準測定システムを反映している可能性があります。連邦取引委員会は、連邦取引委員会 (FTC) 規則 46 CFR 432 (1974) でこれに終止符を打ち、家庭用エンターテイメント製品で使用されるアンプの出力表示に影響を与えています。

連邦取引委員会の命令に応えて、消費者電子協会は消費者電子製品のオーディオ出力の明確で簡潔な基準を確立しました。彼らはFTC承認の製品マーキングテンプレートをウェブサイトに掲載しており、完全な規格は有料で入手できます。多くの人は、これがアンプの定格の曖昧さと混乱の多くを解決すると考えています。スピーカーとパワードスピーカーシステムの定格もあります。この仕様はオーディオアンプにのみ適用されます。EUの対応が予想されており、米国とヨーロッパで販売されるすべての機器は同様にテストされ、定格されます。^[29]

この規制は自動車のエンターテイメントシステムには適用されず、その結果、依然として電力定格の混乱に悩まされています。しかし、モバイルオーディオアンプのテストと測定方法を含む新しい承認された米国国家規格ANSI / CEA-2006-Bは、多くのメーカーによって徐々に市場に導入されつつあります。^[30]

DIN ( Deutsches Institut für Normung、ドイツ標準化協会) は、DIN 45xxx でオーディオパワーを測定するためのいくつかの規格を説明しています。 DIN 規格 (DIN 規格) はヨーロッパで一般的に使用されています。^[31]

IEC 60268-2は、電力出力を含む電力増幅器の仕様を定義しています。^[32]

• オーディオシステムの測定
• 騒音計
• オーディオノイズ測定

• アンプの定格電力（および適切な PMPO 値の計算方法）Rod Elliott 著
• アンプの定格電力を理解する
• オーディオパワーとそれに対応する要素: 主観的に感じられる音の大きさ (音量)、客観的に測定された音圧 (電圧)、理論的に計算された音の強さ (音響パワー)
• 2021 年のベスト JBL スピーカー 5 選