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「レコードとCD/SACD プレーヤーの仕組み」 ~なぜ音が鳴る?オーディオ解説書その4

 

CDが発売された1982年当時は、レコードとカセットが市場の大半を占め、1983年のCDのシェア率は0.5%にすぎませんでした。しかし、3年後には市場の10%まで成長し、5年後にはレコードのシェア率をぬいて約30%、さらに発売開始から10年も経たない1991年には、当時ナンバーワンの音楽ソフトだったカセットを追い抜き、50%以上のシェア率を占めるに至ります。

最近でこそ、出荷枚数の激減をよく耳にするようになりましたが、それでも依然として音楽ソフトの主役は「CD」です。CDはもはや音楽ソフトの王であり、私たちにとっても日常的な存在です。

しかし、皆さんはなぜCDから音が鳴るのか知っていますか。
何かと何かが接触したら音が鳴るのはわかります。レコードから音が鳴る仕組みは(詳細はわからなくとも)針が溝をなぞって・・・・・・と何となく想像できます。しかし、CDは想像すらできない方も多いのではないでしょうか。どうしてCDは非接触で音を奏でることができるのでしょう。不思議です。

そこで今回は、レコードとCD/SACDを比較しつつ、なぜレコードから音が出るのか、なぜCDから音が鳴るのかを探ってみようと思います。

目次

  1. レコードの音が出る仕組み
    1-1.アナログレコードの音溝(おんこう)
    1-2.音溝の種類
    1-3.ニードルトーク
  2. CD/SACDの仕組み
    2-1.CDの仕組み
    2-2.SACDの仕組み
  3. CDから音が鳴る仕組み
    3-1.CDの生産工程
    3-2.CDにデータを記録する方法
    3-3.CDから音が出る仕組み
    3-4.CDプレーヤーの仕組み
  4. CDとSACDの比較
  5. SACDハイブリッド
    5-1.ハイブリッド
    5-2.デュアルレイヤー
    5-3.シングルレイヤー
  6. まとめ

 

1.レコードの音が出る仕組み

1-1.アナログレコードの音溝(おんこう)

 

オーディオが音を奏でる原理は、CDもレコードも同じです。音が鳴ると空気が振動し、波となって耳に伝わります。その波(振動)を記録したものがCDやレコードと言った音楽メディアで、その波(振動)を読み取るのがプレーヤーと呼ばれるオーディオです。

CDとレコードの決定的な違いは、デジタルかアナログかの違いです。レコードの場合は音楽の記録を全てアナログ信号にて行っており、音楽信号のどんな複雑な波形でも、そのままディスクに刻み込みます。

レコード盤面をじっくり見つめると、細い線が同心円状に掘られているのがわかります。それが「音溝」「V溝」、あるいは「グルーブ」「マイクログルーブ」と呼ばれるもです。ここに全ての音楽信号が刻み込まれています。そして、この溝にカートリッジの針先(レコード針)が触れると、レコード針が溝の形状に合わせて小さく動き振動し、この振動をカートリッジが電気信号に変換して、アンプが増幅して音を再生しています。

 

TOPICS:オーディオ解説入門書「アナログプレーヤーの仕組み」

TOPICS:オーディオ「レコード」解説入門書

1-2.音溝の種類

1-2-1.モノラル盤

モノラルの「mono」は、「単一」を意味するギリシャ語を語源とする言葉で、大雑把に言えば、マイク一つで録音された音源のことです。スマートフォンなどのアプリでの録音は、マイクが一つしかないのでモノラル録音に相当します。

モノラル録音された音源は、ステレオスピーカーであっても左右から同じ音が流れます。今でこそ好んでモノラルを選択する人は少なくなりましたが、以前は(特にビートルズが活躍した時代以前は)ステレオよりモノラル盤の方が人気がありました。

モノラル録音のレコードは、溝の左側と右側が同じように掘られており(左右同位相)、横方向の振動で記録されています。そのため、モノラル・レコードの再生専用カートリッジは縦方向の振動感度を鈍くしていて、ステレオレコードに使用すると盤面を損なうケースもあるので注意が必要です。

 

1-2-2.ステレオ盤(45-45方式)

ステレオ・レコードで採用されている記録方式です。1957年、ウエストレックス社が開発しました。レコード盤面に対し音の溝を左右斜め45度づつに分けてカッティングし、音溝の内側の壁にLチャンネル、外側にRチャンネルの音を独立して記録する方法です。左右で音溝の形状が異なり、レコード針は上下左右(左右同位相の場合は横方向、逆位相の場合縦方向)に振動します。

この音溝をトレースするのが、1本のレコード針です。昔は2本のレコード針を使用している時代もありましたが、今ではレコード針の素材の特性を活かし、1本で左右の振動を別々にピックアップします。

ちなみに、一般的なレコード針はダイヤモンドでできています。ダイヤモンドは左右の異なる方向から来る振動ついては、同じ結晶内において干渉しないという特異な性質があります。ですから、「45-45方式」で刻まれた溝においては、左右の振動が互いに直角方向であるため、1本のレコード針でもほとんどクロストーク(音漏れ)なくL/Rのステレオ信号がピックアップできます。

 

1-2-3.4チャンネルステレオ盤

通常のステレオ2チャンネル(L/R)に、リアスピーカー2チャンネルの信号を追加して4チャンネルを記録した方式です。ステレオレコードよりも高周波数帯を記録し、4つのスピーカーによる立体的な音響効果が得られる点が特徴です。ディスクリート方式とマトリックス方式と呼ばれる2つの方式があります。

ディスクリート方式は、入力信号をそれぞれ個別に記録し、それぞれ個別に再生する方式です。一方、マトリックス方式は入力信号を混合して録音し、再生時に混合されて記録された信号から各チャンネルを分離して再生する方式です。

いずれもあまり普及しませんでしたが、その開発技術はカードリッジの性能向上に大きく貢献し、後のサラウンドを始めとするマルチチャンネルへとしっかり受け継がれていきました。

 

1-3.ニードルトーク

レコードの奏でる音は、音楽以外にもう一つあります。それが「ニードルトーク」です。レコードの再生中に耳を澄ましたとき、針の近くから「シャカシャカ」と聞こえる音がそれです。あまり好ましい現象ではありませんが、しっかり針が音を拾っていることが確認できます。

 

2. CD/SACDの仕組み

2-1.CDの仕組み

2-1-1.レコードとの違い

レコードは「A面」と「B面」に区別しますが、CDは印刷されている「レーベル面」と銀色に輝く「信号面」に区分します。また、レコードとは真逆の発想が取り入れられていて、例えばレコードは再生する面を上にして針を落とします。そして、針は外側から内側に向けて動き、音が鳴ります。

一方、CDは一般的に再生する面を下にします。そして、レコードの針に相当するレーザー光を下から照射し、内側から外側に向けて信号を読み出します。

 

TOPICS:オーディオ解説入門書「CDの歴史」 ~世界初のCD、CDプレーヤーは?

2-1-2.CDの構造

 

CDは直径12cmまたは8cm、厚さ1.2mmの円盤状で、プラスチックでできています。プラスチックの材質は、APO(非晶質ポリオレフィン)やガラスを使用したものもありますが、一般的にはポリカーボネートが用いられています。

レーベル面の「印刷層」から順に、「保護層」、「反射・記録層」、「樹脂層」の4つの層で構成されていて、記録層はレーベル面の印刷層から10μm (0.01mm)の場所に位置します。そのため、印刷面からの衝撃に弱く、ボールペンなどで記入を行うと記録層にダメージを与える可能性もあり、音飛びなどの症状が発現するばかりか、最悪の場合は読み取りさえできなくなることもあります。

 

2-2.SACDの仕組み

SACDはスーパーオーディオCD(Super Audio CD)の略です。その言葉からも優れた性能が想像できますが、1999年にソニーとフィリップスにより規格化された次世代CD規格の1つで、文字通りスーパーCDです。

規格はCDと同じ直径12cm厚さ1.2mmの光ディスクです。しかし、オーディオデータをCD以上の高音質で記録しています。

どちらかと言えば、先に開発されたDVDに近く、0.74μmのトラックピッチなどでCDの7倍強の4.7GBの記録容量を実現しており、さらに2層構造も可能としていて、いくつかの仕様的バリエーションを持ちます。中でもSACD層とCD層で構成されるハイブリッドディスクはポピュラーです。

ハイブリッドディスクのSACD層は4.7GBの高密度(HD層)で、SACDのハイスペックのまま2チャンネルステレオと最大6チャンネルのマルチチャンネルが記録できます。

一方、CD層はCD規格の音声が記録されます。したがって、CDプレーヤーやCDラジカセでも、ハイブリッドSACDはCD層で音楽が楽しめます。

 

3. CDから音が鳴る仕組み

3-1.CDの生産工程

CDができるまでの工程は大きく3つに分けられます。

  1. カッティング
  2. スタンパー作成
  3. プレス仕上げ

の3段階です。

カッティングとは、ガラス盤にホトレジスト(感光剤)を塗布してレーザー光で記録することです。ちなみに、ホトレジストの厚みはピットの深さに相当する約0.1μmです。

カッティング、つまり記録が終わったら、現像処理を行ってメタルマスターを作成します。そして、そこから複数枚のマザーを起こし、さらにマザーから複数枚の量産用スタンパーを作ります。

スタンパーが完成したら、量産です。いわゆるプレスです。スタンパーを含む金型に、溶解した樹脂を高圧注入する射出成型が一般的です。

そして最後の工程では、ピット面に反射層のための金属幕を蒸着させ、さらに硬い樹脂で保護層を形成。それからレーベル面の印刷を行って完成です。

 

3-2.CDにデータを記録する方法

CDに納めるデータの形式は、当然ですがデジタルです。しかし、音楽信号はもともとはアナログの連続信号ですから、波のような連続した波形をデジタル化しなければなりません。そこで、CDにおいてはアナログ音声データを符号化する際、PCMという方式を採用しています。PCMとはPulse Code Modulation(パルス符号変調)の略です。

具体的には、まずはサンプリング(標本化)です。
CDの場合、サンプリングは44.1kHzですから、1秒につき44,100回という速さでサンプリングを取りにいきます。言い換えれば、1秒間で44,100回の標本化です。

そして、サンプリングの次は量子化です。
CDの場合、量子化ビットは16ビットですから、1回のサンプリングにつき16ビットをデータサイズとして割り当てています。ようするに、2の16乗=65,536の精度でサンプリングするわけです。

この量子化が完了し、符号化を経て0,1で構成された16ビットのPCMデジタル信号が得られます。

 

3-3.CDから音が出る仕組み

CDでは音を記録するために、音を電気信号に変換しています。その電気信号はディスクの表面に肉眼では確認できないほど小さなくぼみとして焼き付けられています。「ピット」と呼ばれるくぼみです。

ピットは信号面から見れば凸の部分で、ピットのない部分は「ランド」と呼ばれています。CDは透明なプラスチック(一般的にはポリカーボネート)の表面に、デジタル信号の0と1を凹凸に置き換えたピットが刻まれていて、その凹凸のデジタル信号をレーザー光の反射で読み取ります。レーザーは780nmの赤外線レーザーが用いられています。

レーザー光はランドに当たれば反射してそのまま戻ってきますが、ピットに当たるとランドからの反射波と1/2波長の位相差をもつため干渉し、打ち消し合って暗くなります。その明暗によりデジタル信号を読み取って、これをアナログ信号に戻して音声として出力しています。

ピットの幅は0.5μm、長さは0.83μm~3.56μmで、0.3μm単位で長さの違うものが9種類あります。また、このようなピットの列が1.6μmの間隔で(トラックピッチ)、内側から外側に向かって渦巻状に並んでいます。

このように、レーザーの焦点はピットにあって、プラスチック表面上は光が広い状態のため影響は受けません。そのため、プラスチック面に指紋や傷などが付いても基本的には読み取りに影響を及ぼしません。ただ、レーベル面からピットまでは数10μmの保護層しかありません。そのため、信号面を大切にする方はとても多いのですが、どちらかといえば、CDはレーベル面を慎重に扱うべき構造だということは知っておくべきことでしょう。

 

3-4.CDプレーヤーの仕組み

CDプレーヤーは精密なメカニズムと最先端エレクトロニクスが融合したメカトロニクスです。そして、その内部構成は、大きく4つの構造に分類できます。「メカニズム」「デジタル部」「アナログ部」「電源部」です。

3-4-1.メカニズム

レーザーピックアップを核にするCDプレーヤーの心臓部。CDの盤面に刻まれた凹凸のデジタル信号(ピット)を読み取ります。

 

3-4-2.デジタル部

デジタル部はピックアップで読み取った信号を様々に処理し、デジタル処理回路を経てD/A
コンバーターへ引き渡します。そしてD/Aコンバーターはデジタルからアナログへの変換(D/A変換)を行います。

 

3-4-3.アナログ部

アナログ部はD/A変換後のデリケートなアナログ信号を強化し、外部に送り出します。

3-4-4.電源部

電源部は交流100Vから各部の動作に必要なエネルギーを供給する役目を担います。

 

4.CDとSACDの比較

CDもSACDもディスクの構造は基本的に同じです。そして、外観などは全く一緒で、双方とも直径は12cm、厚さは1.2mmです。

しかし、トラックピッチ、データ容量、レーザー波形、開口数、オーディオコーディング、サンプリング周波数は異なります。

トラックピッチは、SACDは0.74μm、CDは1.6μm。
データ容量は、SACDは4.7GB、CDは780MB。
レーザー波形は、SACDは650nm、CDは780nm。
開口数は、SACDは0.6NA、CDは0.45NA。
サンプリング周波数は、SACDは2822.4kHz、CDは44.1kHz。

そして、オーディオコーディングも異なります。
SACDはDSD方式、CDはPCMです。

では、詳細を見ていきましょう。

 

4-1.コーディングの違い

CDではPCMを採用していますが、SACDではDSD方式を採用しています。いわゆる符号化方式の違いですが、CDでは16ビットのリニアPCM方式、これに対してSACDは音声信号の大小を1ビットのデジタルパルスの密度で表現するDSD方式を採用しています。

DSDとはDirect Stream Digitalの略で、最大の特長は回路構成が非常にシンプルに実現できる点です。最近のデジタルレコーディングのシーンでは、アナログ信号をデジタル信号に変換する際、オーバーサンプリングA/Dコンバーターが使用されています。そして、このA/Dコンバーターの最初の部分でアナログ信号が1ビットのデジタル信号に変換されます。

CDなどに記録するPCM方式では、通常、間引き処理となるデシメーション処理を行ってPCM信号を生成する必要があります。同様に、再生時にも補間データの作成がデジタルフィルターで行われ、さらに1ビット信号に戻すデルタ・シグマモジュレーターを通します。

しかし、DSD方式ではA/D変換された1bitの信号をそのまま記録することができ、再生においてもアナログローパスフィルタを通すだけのシンプルなシステムで行えます。そのため、100kHzをカバーする再生周波数範囲と可聴帯域内120dB以上のダイナミックレンジを確保。CD以上に、原音に極めて近い録音・再生を実現しています。

 

4-2.容量の違い

 

データ容量はCDが780MBに対し、SACDでは4.7GBと、およそ7倍以上も向上しています。この容量を活かし、SACDフォーマットでは2チャンネルステレオエリアの他、最大6チャンネルのマルチチャンネルエリア、静止画、文字データなどの付加情報等を格納するエキストラデータエリアが規格化されています。

また、CDではカットされていた20kHz以上の音域情報も、SACDなら100kHzまで記録できます。ふわっとした倍音のニュアンスや場の空気感を一層リアルに表現でき、より多くの音楽情報が保存可能。SACDはCDと比べて、生音に近い音が再現できます。

記録時間も大幅に拡大。2chステレオで109分と、CDのおよそ74分より1.5倍も長くなっています。

 

4-3.トラックピッチの違い

ディスク上に刻まれているミクロンオーダーの微細な突起「ピット」。ここに音楽データが刻み込まれているのですが、そのピットとピットの間隔がトラックピッチです。

そして、CDではトラックピッチが1.6μmであるのに対し、SACDでは0.74μmと半分以下に縮まっています。そのため、読み取るためのレーザ波長も短くなければなりません。CDもSACDも赤外線レーザですが、その波長はCDが780nmに対し、SACDは650nmです。

こうしたミクロな違いにより、面積が同じでも格納できるデータ量を大幅に拡大させています。

 

4-4.サンプリング周波数の違い

CDのサンプリング周波数は44.1kHzです。1秒間に44,100回の標本化を行っています。
一方、SACDのサンプリング周波数は、CDの約64倍以上の2822.4kHzです。1秒間に2,822,400回も標本化を実行しています。

そして、それを1ビットのデータでそのまま記録し、再生時も1ビットづつ処理していきます(DSD方式)。そのためSACDではCDと比べて原音に近いサウンドが得られます。

 

4-5.開口数の違い

開口数とはレンズの分野で非常に重要視される数値です。基本的には値が大きい方が明るさを取り込めるため、数字が大きい方が良質と判断できます。

NAと表記されるのは、Numerical Apertureの略で、その定義はNA = n * sinθです。(nは光路の屈折率)

CDが0.45NAに対し、SACDは0.6NAです。
顕微鏡が0.7程度といえば、SACDの優秀さが伝わるのではないでしょうか。

 

5.SACDハイブリッド

実はSACDには三種類あります。Single Layer(シングルレイヤー)、Dual Layer(デュアルレイヤー)、Hybrid(ハイブリッド)の三種類です。

そして、今まで「SACD」と表記してきたのは、すべて「SACDハイブリッド」を指しています。最も流通量が多く、一般的に「SACD」といったら「SACDハイブリッド」を意味するからです。

この章ではそれぞれを少し細かく見てみましょう。

5-1.ハイブリッド

SACDハイブリッドは2層構造のSACDで、CDエリア+SACDエリアを貼り合わせたものです。
SACDエリアはHD層と表現するので、ハイブリッドは「CD層+HD層」のSACDと表記することができます。CD層とHD層が存在するため、あらゆるプレーヤーでの再生が可能なSACDです。

表面側がHD層、その奥にCD層があり、CDを再生する場合は手前のHD層をすりぬけてレーザーが届き、CD専用のピップアップでその情報を読み取ります。

5-2.デュアルレイヤー

ハイブリッドと同じく2層構造のSACDですが、CD層がない「HD層+HD層」の、長時間の収録が可能なSACDです。

このタイプのSACDは、CD層がないため普通のCDプレーヤーでは再生でません。SACD対応のプレーヤーが必要になります。ただし、とても希少です。

5-3.シングルレイヤー

SACDシングルレイヤーは、HD層のみのSACDです。そのため、SACD層を透過性にする必要がなく、より高い信号読み取り精度が期待できます。「最高音質のメディア」と呼ぶ愛好家もいる多いSACDです。

このタイプのSACDは、CD層がないため普通のCDプレーヤーでは再生でません。SACD対応のプレーヤーが必要になります。ただし、デュアルレイヤーと同様、とても希少です。

 

6. まとめ

アナログでもデジタルでも、音の録音・再生技術は素晴らしく高度で、非常に奥が深いオーディオの世界。科学的要素が強いため、なかなか完全な理解は困難ですが、それでも音を追求した先人に敬意を表しつつ、これからもオーディオを大切にしていただければ光栄です。

音の科学者と愛好家に、音楽の祝福を。

オーディオ買取屋は、これからもオーディオに愛を捧げます。

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