音楽用メディアの考察

４２期２年Ｇ組１０班
１０番　塩川智規
２０番　森田健太郎
３０番　神谷英子
４０番　前田絵理

はじめに
　音声の記録について調べようと思ったのは、薄いＣＤやカセットテープに、音声情報がどのように記録されているのだろうかと疑問を持ったからです。
　また、現代の膨大な情報があふれる社会において、情報の記録は次代を担う重要な存在だと考えたからです。人間の脳が記録する情報量には限りがあるが、人間の作りだした情報記録装置は膨大な情報を記録することができます。つまり、人間の造りしものは人間自身の能力を超えているのです。このことにも私達は興味を覚えました。記録について原点から現代のものまで調べることによって、この興味を追求できると思ったのです。

（神谷・前田）

アナログレコード
●レコードの歴史

　１８７７年、エジソンが世界で初めて音を記録する機械を作った。それはねじ状の溝を入れた金属円筒に錫箔を巻き付け、音波の強弱に応じて深浅の跡をのこしたものであった。その後、工夫を加えられ、蝋管蓄音機として商品化された。
　そして１８９０年、円盤状の媒体を用いて録音する方式が考案された。これが円盤式蓄音機のはしりである。複製が円筒式に比べて著しく容易であるため量産が可能となり、蝋管式から円盤式へと移行した。
　１９２５年レコードの電気録音法が実現し、翌２６年、電気再生法が実現し、電気蓄音機の時代へと移行していった。
　ＳＰ(Standard Play)レコードと呼ばれるレコードそれで、回転数毎分７８回転、曲率半径６３．５μｍの再生針を基準とする音みぞを持ち、３０ｃｍ径で片面４〜５分の録音時間のものであった。その後１９４８年、材料に塩化ビニールを用いた長時間レコードが開発された。ＬＰ(Long Play)レコードと呼ばれるものである。回転数は毎分３・３１／３回転、マイクログルーブと呼ばれる曲率半径２５．４μｍの再生針を基準とした音みぞで、３０ｃｍ径で片面２０〜３０分録音できるようになった。１９４９年、回転数毎分４５回転、１７ｃｍ径のＥＰ(Extended Play)レコードが発売された。片面録音時間が約５分のものをシングル盤、約１０分のものをＥＰ盤と区別している。
　このようなレコードは音響信号の振幅の変化を音みぞの水平方向の変化として録音する横波録音であった。しかし１９５６年、ステレオ録音のできる４５−４５方式と呼ばれる録音方式が実用化され、現在世界中で採用されている。
　１９７７年、レコードをＰＣＭで録音再生する装置が展示された。ＰＣＭを用いることにより、音質は著しく向上した。

（前田）


●ＬＰの円盤録音再生の仕組み

　ＬＰでは音をみぞの形でレコードに記録し、それをピックアップと呼ばれる電気変換器で電気信号として取り出して音を再生している。
　３つの過程に構成して考えてみた。

（１）録音系
　テープに録音された原音は編集や音質調整などを加えた後に、録音盤にカッターで刻み込まれる。録音盤はアルミニウム芯盤にラッカーを０．３〜０．５ｍｍの熱さに塗布したもので、レコードを複製するもとになるものだ。
　録音盤に音を刻み込むためには、マイクロホンで電圧の時間変化に変換された音の信号（テープに録音されている）を、カッターの機械的振動にもう１度変換し直さなくてはならない。この時、入力した信号と出力されたものは比例していなくてはならないので、波形は歪んでしまう。（→図１）だから、レコードには１％以上の歪みが含まれているらしい。
図１
　また、録音信号の振幅も制約される。（→図２）
図２
　低音域になるほど振幅は大きくなるが、溝の間隔は決まっているので、それ以上の大きさの振幅は記録できない。（右上がりの直線）
　中高音域では、みぞの径で制限されている。中高音域では、みぞが４５°傾斜しているので、針先の線速度より速い速度で上下あるいは左右に刻み込むことはできない。（水平の直線）　また、高音域では、刻み込まれたみぞの曲率半径が針先の曲率半径についていけなくなってしまう。（左下がりの曲線）　中高音域でレコードの内周ほど大きな音声信号を録音しづらくなるのはこのためだ。

（２）レコード製造
　（１）で製造した録音盤から図３のようなメッキ、その他の工程を経て金属のスタンパーを作り、これをもとにして硬質塩化ビニルを主原料とする市販レコードがプレス成形される。
図３

（３）再生系
　レコードの音みぞ壁に刻み込まれた音のたどって再生針の振動に変え、その振動を電気信号に変換する。この作業を行うのがピックアップカートリッジでＬＰの音質を左右する重要な部分だ。
　このカートリッジには、マイクやスピーカーと同じく動電形・電磁形・静電形・圧電形がある。昔は圧電形が主流だったが、最近のほとんどのカートリッジは電磁形で、高級な用途には動電形、特殊用途には静電形が使われているらしい。性能の違いはあるが、どれも機械振動を電気振動に変換する機能は同じなので、よく使われている電磁形のカートリッジをその仕組みの例にあげておく。
図４
　電磁形カートリッジは、電磁誘導で発電するカートリッジの総称だ。電磁誘導はコイルとマグネットと磁束の間で起きるため、針先の振動で動かすものによって種類が分かれる。
　マグネットを動かすものはムービングマグネットカートリッジ（ＭＭ形カートリッジ）と呼ばれている。（→図５）
図５
　向かい合った２つのポールピースの間に、ダンパーで支持された振動体がある。この状態では磁気的にバランスがとれているので、ヨークに電流（磁束）は流れない。しかし、針先の変位によってマグネットが傾けば、このバランスはくずれて電流がヨークに流れ、コイルに電圧が生じる。出力電子が２．５〜３．５ｍＶと比較的高く、針交換も簡単なので、これがカートリッジの主流だ。
　コイルを動かすものはムービングコイルカートリッジ（ＭＣ形カートリッジ）だが、マイクやスピーカーと同じ分類にすると動電形ともいえる。磁界内におかれたコイルを針先で振動させて発電させる形式は、動電形マイクやスピーカーと全く同じだ。
図６

（神谷）


●レコードプレイヤーの欠点

○再生時、レコード溝からピックアップカートリッジに至る振動系や、駆動系の非直線性などによるひずみや、レコードプレイヤーシステム特有のひずみが生じる。

○駆動機構から発生する振動（ランブル）によって生じる、ゴロゴロという低音の雑音がある。

（前田）


カセットテープ
エジソン（レコード）　音は空気の振動→振動を溝という形に機械変形して記録

オリベン・スミス（磁気記録）　空気の振動である音を電気の流れの強弱に変えて送る電話の技術→電流の強弱を記録して録音する。

レコード＝記録された音声の再生→量産性と情報保存性

磁気記録＝音声の記録・再生（映像の記録からコンピューターのデータ情報のセーブ・ロードまで）→情報中心型の現代社会に欠くことのできないメディア。


●磁気記録とはどういうものか。

　磁性体に、磁気ヘッドというペンで、磁気という目に見えないインクを使って、信号の変化を書く（磁化する）ことだといえる。しかし、テープレコーダーは始めからあったわけではない。


●磁気録音機の発展史

１８９８年　、デンマークのポールセンによって発明された。

＜ポールセンの実験＞
　２軒の家の間に鋼線を張り、そこに滑車を付け電磁石をぶら下げ、電話の送信線を繋ぎそれに向かってしゃべりながら走って、鋼線に録音するという実験。

↓

１．磁石に釘を近づけるとくっつき、引き離すと今度はその釘も磁石になる。（磁石によって釘が磁化された。）
２．磁石にはＮ極とＳ極があって、同極は相反し、異極は引き合う。

　この２つの性質により、磁化された釘には磁石のＮ極側にＳ極が、Ｓ極側にＮ極が、発生することになる。これは大体知っている。そこでポールセンの実験に戻るわけだが、ここで鋼線に磁石を押しあて次々に位置を変えていったとすると、磁化された鋼線には、ＳＮＳＮ‥‥と磁気が残る。これを部分磁化といい、残った磁気を残留磁気と呼ぶ。
　ポールセンが行った実験は送信器で空気振動を電流に変え、その電流で電磁石に磁気を起こし、移動しながら連続的に鋼線を磁化することで、電流の時間的な変化を残留磁気の距離的な変化として記録しているのである。
　この発見によって、この原理を基に『Telegraphone』いわゆるテレグラムが作られ、数年後のパリ博覧会（１９００年）でグランプリを獲得。これを元に改良・開発をくり返し、約５０年して今のテープの原形ができたのである。その後は、テープの磁気ヘッドや、磁性体の改良、磁気の入力方法の変換により、大量の雑音をカットすることに成功し、今のテープに至るのである。

（森田）


ＣＤ
　ＣＤ。今や知らない人などいないでしょう。ＣＤというのはCompact Disc（コンパクトディスク)の略。読んで字の如く、小さな円盤、音楽記録用のメディア（媒体）です。
　ＣＤの規格は１９８１年にソニー社とフィリップス社の技術提携により、Red Book（規格書の表紙が赤色だったことからこう呼ばれます）として制定・発表されました。後の８８年にはシングル等に用いられる８ｃｍ径ディスクが商品化さたことも含め、現在では正真正銘、もっとも普及している音楽用メディアの一つといえるでしょう。
　さえに、１９８５年にはYellow BookとしてCD-ROM規格が、翌８６年にはGreen BookとしてCD-I規格が制定され、コンピュータ用メディアとしても活躍していることも重要です。最近人気の出てきたＭＤ(Mini Disk)や、今注目されているＤＶＤ(Digital Video Disk)も基本的にはＣＤの技術が活かされており、この存在が如何に重要であるかは筆舌に尽くし難いものです。
　それでは、早速ＣＤについてみてみましょう。


●ＣＤの仕様

　ＣＤの、基本的な仕様は以下の通りです。
外径 120mm
孔径 15mm
厚さ 1.2mm
信号面外径 116mm
信号面内径 50mm
プログラムスタート位置 内周側
回転方向 反時計方向
回転速度 1.2〜1.4m/sec
トラックピッチ 1.6μｍ
記録面数 １面（片面）
ディスク素材 透明プラスティック（ポリ・カーボネイト）
サンプリング（標本化）周波数 44.1kHz
量子化ビット数 16bit 直線
変調方式 EFM
誤り訂正方式 CIRC
チャネル数 2 （ステレオ）
周波数帯域 20〜20000Hz
ダイナミックレンジ 90dB以上
歪み率 0.05%以下
ワウフラッタ 水晶精度（測定限界以下）
演奏時間 60〜75分


●ＣＤの仕組み

　ＣＤは音をディジタル化して記録します。このディジタル化にはPCM(Pulse Code Modulation)という方式を用いており、まずサンプリング（標本化）といって音の波形を時間軸に沿って区切った上で、量子化といって波形の測定値を数値化します。よって、読み込むときはこのディジタル化された数値から、逆に波形を作ればいいのです。
PCM Recording
　次にはこの数値をディスクから読み出す方法についてです。
　ＣＤの表面はプラスティックで被われていますが、中にはアルミニウムの非常に薄い層があります。この層は平らでは無く、ピットと呼ばれる無数の穴があいており、これが記録されたデータなのです。プレイヤーはこれにレーザーを照射し、反射して返ってくる光から、その場所にピットがあるのかどうかを知ることができるわけです。（焦点距離や光の回折等によって反射光に違いが生まれるのですが、そういう枝葉末節な事については今回の指針から逸れますので割愛させて戴きます。）



●ＣＤの作り方

　ガラス原盤と呼ばれるものにレーザーを照射して、ピットを刻む位置をカットします。これを現像したものをガラスマスタと呼び、これを元に大量に複製します。これを複製するための手順が以下です。



●書き込めるＣＤ

　ＣＤはテープなどと違って、録音することはできません。ＣＤを作るためには前述したような大がかりな手順が必要となります。これを解消するための方法が提案され、一部は実際に実現されています。
　例えば、光磁気方式。これはアルミニウムの層の代わりに磁性体を用いて、磁力で書き込み、読み込むときには光を使うという方法です。これは録音用ＭＤやＭＯディスクで使われています。
　そして、相変化方式。結晶状態の方が非晶質状態より反射率が高いことを利用した方法です。こちらはＰＤなどで採用されています。
　その他、泡形成、基盤変形等の方法が考えられています。

（塩川）


ＭＤ

　ＭＤとはMini Disk（ミニディスク）、直径６４ｍｍの小さなディスクにＣＤとほぼ同じ時間の音楽を、ほぼ同じクオリティ−で記録できるものです。ＣＤと違い、再生専用の光ディスクの他、録音のできる光磁気ディスクも用意されているのも大きな特徴です。


●ＭＤの仕様

　ＭＤの、基本的な仕様は以下の通りです。
外径 64mm
ディスクの厚さ 1.2mm
カートリッジサイズ 68×72×5mm
トラックピッチ 1.6μｍ
最大線密度 0.6μｍ/bit
記録面数 １面（片面）
ディスク素材 透明プラスティック（ポリ・カーボネイト）
サンプリング（標本化）周波数 44.1kHz
変調方式 EFM
誤り訂正方式 CIRC
コーディング方式 ATARAC
チャネル数 2 （ステレオ）
周波数帯域 5〜20000Hz
ダイナミックレンジ 105dB
ワウフラッタ 水晶精度（測定限界以下）
演奏時間 最大74分


●ＭＤの圧縮方法

　ＣＤより遥かに小さなディスクに、ＣＤと同じだけの情報を記録することは簡単ではありません。そのままでは、１０分程度しか録音できなくなってしまます。記録密度を高めることも可能ですが、より精密さを求められるのでコストがかかります。そのため、ＭＤでは音の情報を約１／５に圧縮するATRAC(Adaptive Transform Acoustic Coding)という方法が採られています。

　人間の耳には、聞こえる範囲があります。下の図はそれを示した図です。この線はヒアリングスレッショルド曲線といわれ、この線より下の音は人間にはき込ません。

　また人間の耳は、音が鳴るとその影響でその音に近い高さの音が聞こえにくくなるという性質も持っています。これをマスキング効果と呼ぶのですが、マスキングされて聞こえなくなった音は、たとえ再生されても聞こえないわけですから、この情報を省いてしまおう、というわけです。これでかなりの情報を少なくすることができます。

　他にも方法はあります。例えば、無録音部分。ＣＤだとこの部分でも音のある部分と同じだけの情報を使って記録されますが、「音が無い」と書いておけばそれで済むわけです。このように、色々な方法を応用して情報を圧縮しているのです。
　下の図はDCC(Digital Compact Cassette)のPASC(Precision Adaptive Subband Coding)で使われている方法ですが、この技術はＭＤでも活かされています。これは要するに、音を成分に分解して、圧縮しやすくするものです。



●ＭＤの録音方法

　一般にレコードショップで売られているＭＤは再生専用のもので、中に入っているディスクはＣＤをそのまま小さくしたようなものです。録音用のＭＤは別の方法で記録されています。これは光磁気方式と呼ばれるもので、記録面にレーザーを照射すると、その反射光は磁界によって異なる方向に偏光するという性質を利用したものです。

　録音する際には記録面にレーザーを照射しながら、加える磁界の方向を変えていくもので、磁界変調オーバーライトと呼ばれています。コンピュータ用などに使われる一般的なＭＯディスクとは異なった方式になっており、一回の回転で消去から書き込みまでを完了させることができます。

（塩川）


用語解説

磁性体
　磁石になりやすい性質を持つ物質。
磁気ヘッド
　記録するために用いられる電磁石。
テープレコーダー
　磁性体を蒸着したテープ等を使って、音声を記録するための装置。磁気録音機。


略年表
１８１５年 蘭学事始
１８２１年 電磁誘導作用の発見
１８７６年 電話の発明
１８７７年 蓄音機の作製
トーマス・Ａ・エジソン、銀箔器第１号器完成
１８８８年 磁気録音の可能性の発表
１８９８年 鋼線式磁気録音機『Telegraphone』の発明
１９０２年 直流バイアス方式の発明
アメリカで朝顔型ホーン付き円盤蓄音機発売
１９１６年 国産初の蓄音機発売
１９２１年 交流バイアス方式の発明
１９２５年 国内ラジオ放送の開始
テレビジョンの発明
国産真空管ラジオ受信機発売開始
１９３１年 磁気録音機『Magnetophone』の開発着手
１９３６年 磁気テープの研究開始
１９４３年 各国、軍事目的で磁気録音機の製造開始
１９４８年 ＬＰ盤が発売される。
１９４９年 ＥＰ盤が発売される。
１９５１年 アメリカでミュージックテープの登場
紙ベース使用の国産テープ発売
１９５７年 アメリカで４５−４５方式のステレオ盤が発売される。
１９６３年 フィリップス、カセットを正式発表
１９７７年 デジタル　オーディオ　ディスクが開発される。
１９８１年 Red Book規格の発表
１９８２年 各社、ＣＤプレーヤの発売開始
１９８７年 ＣＤの売り上げがＬＰを追い越す。
１９８８年 ８ｃｍＣＤの商品化
１９９２年 各社、ＤＣＣプレーヤの発売開始

感想
　少し前から工作、というものに興味を持つようになった。主に電気工作だけれど、単純なことのようで実際に作ろうとするとトンデモナクむつかしいものだ。自分が身の回りの機器にさえ十分な知識を持っていないことをよく思い知らされる。このレポートも似たようなものだった。昔からオーディオ関連には興味があったのだけど、切羽詰まった用でもない限りわざわざ調べ物などしないような人間なので、これが結構いい機会になったと思う。新しい知識もかなり得られたし。とにかかくこれで、めでたしめでたし。
　謝っておくけど、このページに使った画像はすべて学校で急いでスキャンしたもの。それを殆どそのまま載せているので、汚い汚い。ごめんなさいね。ほんとはちゃんと加工するつもりだったんだけど時間がなくて‥‥‥。そういえば、文章も思いっきり適当なような。わかりにくいですよねぇ。ちっともめでたくなかったね。
　‥‥‥‥‥これは感想か？
　このレポートをしてみてつくづく気づかされたこと。『明日できることは今日やるな。でも、明日で間に合わないなら、今すぐやれ！』　お粗末でした。
（塩川）


　我々は日頃何気なく再生・録音・その他の機能を、単にＡＶ機器にテープを入れ、スイッチを押すことで利用している。それぞれの機能は、スイッチを押すことで発動するのではなく、スイッチを押すことで何かがおこり、それが、再生・録音等の機能をうながしているのであるわけで、その何か、とはどんなものを示しているのかを知りたくてこの研究を始めたわけだが、おもっていたよりも複雑でなく、興味深かった。一学期に授業で「音」について学んだし、今までにも磁石・電磁石等の知識も得てきたわけで、これらの考えをまぜあわせるだけでそれなりの仕組が理解できた部分もあった。また、なんとなくではあるが実感できた、という点で音の複雑さが考えられる。そもそも、今回の研究のテーマは音であったわけだが、音を完全に目で理解するということ、あるいは記号化するということはとりあえず今の段階では不可能に近いと分かった。一学期の授業も含めて、人間は音を電気の波で表現していることはわかっている。しかし、あくまで音と電気は違うものなので、完全に表現することはできない、これを深く考えて行くのがこれからのテーマであると思う。
（森田）


　オーディオ製品は生活の必需品です。けれどもその仕組みは以外と知られていなく、原理を知りながら利用している人は少ない気がします。別に知っている必要は特にはありませんが、知らずにいるのも技術を使っているつもりが逆に利用されているようになってしまうのではないでしょうか。実際調べてみると身近にあるものでも複雑に見えてきたりして、混乱させられることが多かったです。単に音を記録するだけでも様々な要素が含まれていて、いかに録音の開発に力が入れられてきたか、見ることも出来ました。開発がさらに進めば現在広く使われているＣＤ等も時代遅れになっているはずですが、音を何かの形に換えて保存するという方法は変わらないはずです。それとも、たとえば音をそのままの形で残すことのできる方法のような全く新しい方法が開発されたりして、現在の方法さえも時代遅れになってしまうのでしょうか。それはともかくとして、今まで私にとっては縁のなかった機械類に近づけたという点で有意義なレポートでした。
（神谷）


　エジソンの時代から、人は音を記録することに対して様々な面で努力をかさねた結果、長い年月をかけて今まで発展してきたことがよく分かりました。
　人の美しい音楽を聞きたがる気持ちなどが、今日の録音の技術の向上へとつながっているんだと思います。
　私が普段気軽に聞いているＣＤなども、同じ人間が考え出したとは信じられないような難しいしくみで出来ているのが分かり、生活において当然の事の様に利用している物でもこのような大変な努力により生み出されたものがたくさんあるのだろうなと思いました。
（前田）


参考資料
◆『ドキュメント　日本の磁気記録開発　――オーディオとビデオに賭けた男たち――』中川靖造（１９８４年　ダイアモンド社）
◆『ＤＣＣ・ＭＤガイドブック』村田欽哉（１９９２年　電波新聞社）
◆『オーディオ小辞典』中島平太郎（講談社）
◆『ディジタル・オーディオの謎を解く』天外伺朗（講談社）
◆『ＣＤ−オーディオからパソコンへ−』林謙二（１９９０年　コロナ社）
◆『ＣＤプレーヤ入門』林謙二（１９８３年　コロナ社）
◆『ソニーＭＤ製品カタログ』（１９９４年　ソニー）

Written by Tomonori Shiokawa, Kentaro Morita, Eiko Kamiya, Eri Maeda.
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