オーディオに関する私の考えその９

(Jo▽)ﾉぁぃ♪

本稿は『オーディオに関する私の考え』シリーズの第9回。
今回は「オーディオの有るべき姿」を、電子工学および制御理論の観点から整理してみたい。

このシリーズで繰り返し述べている通り、私はオーディオを感覚論や評論ではなく、電子工学・制御工学・音響工学の立場から捉えている。
現代のデバイスおよび回路技術を前提とした場合、オーディオシステムは単なる「音を鳴らす装置」ではなく、音場全体を制御するシステムへ進化していくと考えている。

本稿では、オーディオシステムを個別の機器の集合としてではなく、一つの制御系として捉える。

本シリーズでは、VCT、CAAPなど個々の要素技術について述べてきた。
しかし、それらは独立した技術ではない。
私が目指しているのは、CTAA（Control-Theoretic Approach to Audio）すなわち「オーディオに対する制御理論的アプローチ」である。
本稿は、これまで個別に述べてきた各技術を、CTAAという一つの設計思想として統合し、その全体像を示す。

現在のオーディオは、一般的には「録音された信号を再生する装置」として扱われている。
しかし工学的に見ると、実際のオーディオシステムは、
　音源
↓
　DAC アナログレコード等
↓
パワーアンプ
↓
スピーカー
↓
部屋（音場）
↓
リスナー
という、多段の伝達系で構成されたシステムである。
そして最終的に重要なのは、「リスナー位置で、どのような音圧・位相・時間応答が得られるか」である。
つまり本来の制御目標は、アンプ出力電圧でも、スピーカー端子波形でもなく「リスナーの耳に届くその瞬間の音」そのものであるべきだ。
現代のオーディオは、電子回路がほぼ理想に近づいた一方で、スピーカーと部屋だけが大きな非理想として残っている

DAC やパワーアンプの性能は、すでに非常に高い水準へ到達している。
周波数特性・歪率・SN比などは、可聴帯域内では事実上可聴限界以下に達しており、電子回路側はかなり「透明化」に成功している。
しかしその一方で、スピーカーおよび部屋の影響は依然として極めて大きい。
・周波数特性の乱れ
・位相回転
・群遅延
・定在波
・指向性変化
・振動系の非線形性
などにより、リスナー位置での音響応答は大きく変化する。
つまり現代オーディオの最大の非理想要素は、電子回路ではなく、「スピーカー＋音場系」である。

スピーカーは、オーディオシステムの中で唯一、電気→機械→空気という三段変換を行う装置である。
この構造そのものが、非線形性と制御困難性の源になっていて、スピーカーは現在でも、オーディオシステム中で最も非線形かつ制御困難な要素である。
・周波数特性はフラットとは程遠い
・位相回転や群遅延が存在する
・振動系に共振を持つ
・個体差や温度変化の影響を受ける
・箱や設置条件の影響を強く受ける
このためスピーカーは「個性」を持つ機器として扱われ、現在でも“好みで選ばれる唯一の要素”となっている。
しかしこれは、工学的に理想だからではなく、現時点では他に選択肢が無いから受け入れられているに過ぎない。

さらにスピーカーの指向性を広げ、「部屋のどこにいても聴ける」ことを目指せば、床・壁・天井からの不要な反射を励起することになる。
一方、リスナー位置の音響応答に集中するのであれば、指向性を鋭く絞り、リスナーに正対させる方が合理的である。

現在のDSPの本質は、単なるデジタル信号処理ではない。
本質的には、伝達関数を制御可能にすることである。
DSPは現在その役割を担う代表的な演算基盤であるが、将来的にはAIなど新しい演算技術も取り込みながら発展していくと考えられる。

従来は受動的に受け入れるしかなかった
・スピーカー固有特性
・部屋の響き
・位相ズレ
・時間遅れ
を、観測し補正可能にする。
つまりオーディオは、「再生機器」から「観測と補償を伴う制御システム」へ移行しつつあると言える。

DSPをはじめとする演算技術は年々向上しており、今後もさらに高性能化・高精度化が進むことは高い確度で予想される。
これは、ユーザーがそれを求めるからである。
例えるなら「車の自動運転」に近い。
現在はまだ発展途上だが、ユーザー要求に応じて確実に進化している。

オーディオの DSP 制御も同じ道を辿る。
そして最終的にユーザーが求めるのは、「自分の好みの音を、再現すること」である。
ここで言う“好みの音”とは、過剰な演出やエフェクトではなく
・音場
・定位
・時間応答
・周波数バランス
を、環境差を超えて再現することである。

将来の演算システムは、DSPに加えAIなども取り込んだ統合制御システムへ発展していく。
そのためには、リスニング位置にマイクを置き、試験信号を用いて、スピーカー・部屋・リスナー位置を含めたシステム全体の伝達関数を取得する必要がある。

そして統合コントローラは、観測された応答を基に
・周波数特性
・位相特性
・群遅延
・初期反射
などを補償し、ユーザーが求める音響応答を再構成する。
つまり DSP は、単なる信号処理装置ではなく、「音場全体を制御するコントローラ」へ進化していく。

しかし高度な DSP 制御を成立させるには、制御対象そのものが「制御しやすい」必要がある。
制御工学では、制御対象（プラント）は
　・線形性が高い
　・時間遅れが少ない
　・モデル化しやすい
　・パラメータ変動が少ない
ほど制御しやすい。
つまり DSP の性能を最大限に引き出すには、「素直なアンプ」「素直なスピーカー」が必要になる。
ここで重要なのは、アンプやスピーカー自身が「音色」を持つことではなく、DSP が意図した応答を忠実に実現できることである。

この観点から見ると、電流駆動や MFB（モーションフィードバック）は、単なる音作りではない。
本質的には「スピーカーを線形化し、制御可能なアクチュエータへ近づける技術」として位置付けられる。
通常の電圧駆動では、ボイスコイルのインピーダンス変動や逆起電力によって、入力電圧と実際の駆動力の間に非線形性が生じる。
これに対し電流駆動は、音質改善を目的としたものではなく、制御対象としてのスピーカーを扱いやすくするためのアプローチである。

さらに MFB は、振動板の物理的な運動そのものをフィードバック対象とするため、スピーカー固有の非線形性・共振・過渡応答を直接制御できる可能性を持つ。
これはスピーカーを「受動部品」から「閉ループ制御対象」へ変える技術と言える。

ただし、MFBは理論上強力だが、高域になるほど
・検出遅延（センサの物理配置による位相遅れ）
・センサ帯域の限界
・ループ利得の位相余裕不足
・振動板の分割振動モードの顕在化
の問題が支配的となり、安定な閉ループ化が難しくなる。

したがって、高域での遅延が支配的になるMFBは「低域専用の局部フィードバック系」として位置づけるのが妥当である。
具体的には、チャンネルデバイダーにより、MFBのループ安定限界を考慮して帯域分割を行い、それ以下をMFB＋電流駆動系が受け持つシステム構成が極めて合理的となる。
これらについては、今後、本シリーズで順次述べていく予定である。

従来のオーディオでは、「部屋（吸音や配置）を物理的に合わせ込む」という発想が主流だった。
しかし制御工学的には、部屋は排除不能な外乱（マルチパス歪み）であり、同時に「固定された空間伝達関数（周波数・時間応答）を持つプラントの一部」でもある。

将来的には、「部屋に合わせて機器を選ぶ」のではなく、「システム側が部屋の伝達関数をリアルタイムに同定（システム同定）し、自己適応する」方向へ進化していく。
これは従来のオーディオ観とは大きく異なるが、現代の演算能力を前提とすれば、制御工学的には極めて自然な発展形である。

アンプ
　：高速サーボドライバ
スピーカー
　：空気を駆動するアクチュエータ
DSP・AI
　：音場全体を制御・最適化する統合コントローラ
部屋
　：観測・補償対象を含む音響空間
リスナー位置
　：最終的な制御目標点

つまり未来のオーディオは、単なる「良い音がする機械」を卒業し、「理想の音響空間を再構成するインテリジェントな制御システム」へと進化を遂げるだろう。
現在はDSPがその中心技術となりつつあるが、演算能力やAI技術は今後も進歩し続けるだろう。
重要なのは、CTAAは特定のデバイスやアルゴリズムに依存した技術ではないということである。

CTAA（Control-Theoretic Approach to Audio）は、制御理論を基盤として、その時代に利用可能な技術を取り込みながら進化し続ける設計思想である。
新しいDSPが登場すれば、その演算能力を利用する。
AIが実用化されれば、システム同定や適応制御、自己最適化へ活用する。
さらに新しいセンサーやアクチュエータが開発されれば、それらもCTAAの一部として統合されていく。

これは、パーソナルコンピュータが、より良いユーザーインターフェースを目指しCPUやGPU、AIアクセラレータを取り込みながら進化してきたことと本質的には同じである。

CTAAは、その時代の技術を取り込みながら発展し続ける、オーディオ制御の設計思想である。

その目的は一つである。

リスナー位置において、目的とする音響応答を忠実に再構成すること。

本シリーズで紹介したVCT、CAAP、電流伝送などは、その目的を実現するための要素技術であり、CTAAという設計思想の一部に過ぎない。

今後も新しい技術が登場すれば、その都度CTAAへ取り込み、より理想的な音響システムへ発展させていきたいと考えている。

オーディオは「音場制御システム」である

制御目標は「リスナー位置の音響応答」

最大の非理想は「スピーカー＋部屋」

DSPは伝達関数を制御するためのコントローラ

電流駆動・MFBはスピーカーを制御可能なアクチュエータに近づける技術

部屋は外乱であり、同時に観測対象

将来はAIを含む統合制御システムへ進化

CTAAは技術ではなく“設計思想”である

電子回路の設計・開発を長く手がけてきたサーキットマスターです。マイコン制御、アナログ回路、パワエレ等。数百件規模の開発経験があります。　　実案件は公開できないため、この場では修理や趣味のオーディオを題材に、・回路やシステムの構造を読み解く面白さ・電子回路設計の本質・制御理論や実装技術の考え方などを共有できればと思っています。修理も基板交換ではなく、故障デバイスを特定して部品レベルで追うのが基本スタイルです。