こんにちは。manotchです。前回の記事では、コンデンサ単体に振動を与えたり電流が流れたりすると、 コンデンサマイクのように音（電気信号）が発生してしまう「マイクロフォニック現象」について、その周波数特性を測定しました。
「たかが部品の振動」と侮るなかれ、意外なほどはっきりとコンデンサごとに周波数特性の差として明確に可視化されたことに驚かれた方も多いのではないでしょうか。コンデンサを変えることでオーディオ機器の音が変わる理由の一端が解明できたのではないかと思います。
その時の記事はこちら！
「マイクロフォニック音」の定義:
「物理的な振動が電気信号に変換されることで発生するノイズ」
低域ではモソモソ、ごそごそといった音。中高域ではビービーやチーといった歪んだ音になります。
さて、今回はその続きのお話です。ふと、こんな素朴な疑問が頭をよぎりました。
「部品単体で音が出るなら、それが組み合わさったオーディオ用のデジタルアンプを振動させたら、もっと凄いことになるんじゃない？」
デジタルアンプは「0と1の世界だからノイズに強い」「音は変わらない」なんて言われることもありますが、果たして本当に振動の影響を受けないのでしょうか？ 興味本位で始めた実験が、予想外の深みにハマっていくことになります…。
目次
■実験開始！ アンプを歯ブラシで攻撃！？
思い立ったが吉日。早速実験開始です。 実験方法は至ってシンプル。
手持ちのデジタルアンプを用意し、ボリュームを最小に絞って無信号状態にします。その状態でアンプ本体を物理的に振動させ、スピーカー出力に現れる信号をメジャーな音声解析ソフト「REW (Room EQ Wizard)」で観測してみようというわけです。
上記の接続図は以前ケーブルに振動を与えた時の実験を図示したイラストですが、今回は振動スピーカーの所を超音波電動歯ブラシに変更しています。超音波電動歯ブラシの良いところは振動するブラシの先端を部品に押し当てることによってどこからマイクロフォニック音を発生するかピンポイントで特定しやすいことです。こうすることでまずは大雑把ですが、あたりを付けていきます。
■電気部品は微細な振動をしている
デジタルアンプが振動するわけないじゃん。と思ったあなた。
オーディオ機器が振動する原因として、スピーカーから出る「音圧」を思い浮かべるでしょう。
しかし、原因はそれだけではありません。 皆さんも、電源トランスが「ジー」と唸ったり、コイルやコンデンサから「キーン」「ジージー」といった音が聴こえた経験はないでしょうか？
【コイル鳴きの動画】 今回の実験で使用したデジタルアンプにスピーカーを繋がずに、抵抗負荷（ダミーロード）だけを繋いで音楽を鳴らした動画です。
スピーカーを繋いでいないのに、デジタルアンプ本体から音楽が聴こえませんか？
[怪談？デジタルアンプ本体から音が出る？？]
実はこれ、デジタルアンプ内部の電気部品（出力段のローパスフィルタ用コイルなど）に大きな電流が流れることで、部品そのものが振動し、音楽に合わせて聞こえるほど「鳴って」いるのです。これが部品が電流で振動している証拠です。
X（旧Twitter）に投稿した際は「怪談？」というタイトルにしましたが、これはオカルトでも何でもなく、『部品自身が電流で振動して音が出る』という、れっきとした物理現象です。
この現象には、原因によってそれぞれ以下のような名前がついています。動画の音はコイル（コア材）から明らかに音が出ていましたので下記の所で言うと「磁歪・じわい」もしくは「ローレンツ力」という物理現象にあてはまると思います。
部品が電圧や電流が流れることで振動する物理現象の例
- 磁歪（じわい）：電源トランスなどで、磁気によって鉄心（コア材）が伸縮変形する現象。
- 摩擦電気効果(Triboelectric)：ケーブルにおいて、摩擦電気は、電圧がなくても内部の摩擦だけで自ら電荷を生み出す現象。
- ローレンツ力：コイルやケーブルにおいて、磁場の中を流れる電流に対して発生する力。
- 逆圧電効果：セラミックコンデンサなどで、電圧を加えると素子が伸縮変形する現象。
■デジタルアンプは振動に弱い！？
それではオーディオインターフェイスを介してPCに音声データを渡して、ノイズが出力信号として重畳されないか測定を行ってみましょう！
デジタルアンプとして選んだのは手持ちに有ったこのモデル。NOBSOUND NS-01G PRO。50W+50W。
分解して基板を取り出した様子です。
ポチップ
早速、アンプの筐体や基板上の部品に歯ブラシを当ててみると…
「…結構普通に聴こえるレベルで音が出る！」
REWの測定結果を見ても、可聴帯域（人間が耳で聴こえる範囲）の様々な周波数で、明らかに電圧で10倍くらいノイズレベルが上昇しています。コンデンサ単体のマイクロフォニック音よりも、明らかに大きいです。何でしょうコレ？本当かなぁー。
これは興味深い。デジタルアンプといえども、物理的な振動が電気信号に変換され、出力されてしまうことが確認できました。その様子を動画に収めましたのでご覧くださいね。デジタルアンプを振動させた瞬間、グラフの赤い線にピークがいくつも発生するのが分かります。これがマイクロフォニック音です。
■謎が深まる「マイクロフォニック音」の正体
こうなってくると、面白くなってきます。
そして、同時にいくつもの疑問が湧いてきます。
- なぜ部品レベルの時より音が大きいの？
- 単純に内蔵されているアンプ部分の増幅回路を通ることで、微小な振動ノイズが増幅されて大きくなっているのでしょうか？
- どこが「震源地」なの？
- コンデンサ？ コイル？ それとも他の部品？ どこが一番振動を拾っているのでしょうか。
- デジタル回路でも音が変わるの？
- 0と1のデジタル信号を扱っている部分で振動が影響するのか、それとも入力や出力のアナログ部分で拾っているのでしょうか？
デジタルアンプとはいえ、最終的にスピーカーを鳴らすためにはアナログ信号に変換して大きな電力を出力する必要があります。その過程には、アナログ的な要素（フィルター回路など）も含まれているため、そこが怪しいかもしれませんね。
■予期せぬトラブル、そして新たな発見
振動を与えすぎたせいでしょうか…実験の途中で、なんとアンプが動かなくなってしまいました。「振動してビービー音を出しているわけですから、壊れても不思議ではないか…」と落ち込みましたが、後日確認したら奇跡的に復活！ イエーイ！ 実験再開です。
どこで振動を拾いやすいかを特定するため、超音波歯ブラシのブラシを外して金属の棒を露出させ、金属の棒の部分をピンポイントで部品に当ててみることにしました。
すると、驚きの発見がありました。特定の部品を狙って振動させているつもりでも、どうやら基板全体が振動して、色々な場所に伝わっているようなのです。
例えるなら、静かな水面に石を投げ込むと波紋が全体に広がるように、あるいは太鼓の皮の一点を叩くと全体が震えるように、一つの部品への振動が基板を介して他の部品や回路全体に伝播し、複雑な「共振」のような現象を起こしている可能性が見えてきました。
下記はその時のグラフになります。データを読み取って見ましょう。
ピークが発生している周波数とデジタルアンプの出力に発生したマイクロフォニック音の電圧レベルを大きい順に抜粋してみます。
下記以外にもありますが、表を見ると、260Hzや530Hzといった、音楽の基音や倍音成分が多く含まれる重要な帯域で比較的大きなピークが発生していることが分かります。
| ピーク周波数 | ピーク信号電圧 |
| 260Hz | 26mV |
| 530Hz | 11mV |
| 790Hz | 6mV |
| 1100Hz | 3mV |
| 1200Hz | 2mV |
発生した信号は音楽信号に重畳します。つまり、そういった可試聴帯域に聞こえるマイクロフォニック音が元の音からの印象を変化させるので、アンプが持つ「音のキャラクター（個性）」になる一因かもしれませんね。
REWでFFT解析（音の周波数成分の分析）したときの実験です。横軸は周波数、20～20KHz、縦軸は電圧で下は1μV～10Vです。赤いグラフは超音波歯ブラシをデジタルアンプに当てて振動させたときの音のピークです。所々に鋭いピークが発生している様子が分かります。黒いグラフは振動させていないときになります。赤いグラフから黒いグラフを差し引くと、振動有り無しの差となります。出ている電圧レベルは振動の強さによって変わりますが1～10mvくらいでした。一般的には0.1mV～1mV以上あると聴こえるレベルとされていますので十分聞こえる音量です。
■新兵器投入！ 自作アンプで検証を進める
もっと詳しく検証したい！ ということで、もう一台デジタルアンプを用意することにしました。選んだのは、オーディオファンにはおなじみ「FX-AUDIO」さんのデジタルアンプ自作キットです。
なぜキットを選んだかというと、実験のために部品を交換したり、いじりやすそうだったからです。特にこのキットは大型の部品にも対応できるよう基板の穴がいくつか空いていて交換可能なところが魅力的でした。また、オーディオ用として吟味されたパーツが採用されているようです。
ポチップ
久しぶりの自作を楽しみながら、無事に完成！
■衝撃の事実！ ドライバーで叩くと…？
完成した自作デジタルアンプで早速動作確認。ここでも驚くべき現象に遭遇しました。
アンプの基板をドライバーの柄で「コンコン」と軽く叩いてみると…
「…でかっ！」
オシロスコープで出力を確認すると、なんと100mV以上もの振幅を持つ信号が観測されました。これはスピーカーから普通に「ボンボン」という音が聴こえるレベルです。
叩いた瞬間に大きな波形が現れ、数ミリ秒かけて徐々に小さくなっていく「減衰振動」のような波形が確認できました。
なぜこれほど大きな信号が発生するのでしょうか？ まるでアンプ自体が打楽器になったかのようです。原理はまだ解明できていませんが、デジタルアンプが物理的な振動に対して非常に敏感であることは間違いなさそうです。
■総括：分からないことは多い。探求は続く。
今回の実験で、デジタルアンプであっても物理的な振動がノイズ（マイクロフォニック音）として出力に現れることがはっきりと分かりました。
しかも、それは単一の部品だけでなく、基板全体の振動や共振が複雑に絡み合った結果である可能性が示唆されました。これが、アンプごとの「音のキャラクター」の違いを生む一つの要因かもしれませんね。
「デジタルだからノイズに強い」「デジタルなんて音は変わらない」とは、一概には言えなさそうです。オーディオの世界は、やはり奥が深いです。
謎は深まるばかりですが、自作デジタルアンプという強い味方も手に入れました。これからも、振動と音の関係について、さらに探求の旅を続けていきたいと思います。
どこからマイクロフォニック音が発生するのか？なぜ大きなマイクロフォニック音が出るのか？
そのメカニズムを解明していきたいと思います。次回の実験報告もお楽しみに！
【参考文献】
後日、探してみたらアナログデバイスさんのホームページに、オペアンプの振動によるマイクロフォニック発生の詳細な実験データがありますね。一番最後の所に書いてある「付録」の所ですが一見の価値があると思います。
https://www.analog.com/jp/resources/analog-dialogue/raqs/raq-issue-174.html
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