ヘッドホンを趣味にしている人なら、誰もがボリューム、ゲイン、ヘッドルームという言葉を目にしたことがあるでしょう。ほとんどの人は、笑顔でうなずき、これら3つの要素が音楽の音量に関係していることを漠然と理解し、そのままにしているのではないでしょうか。
今日は、これらの概念をもう少し詳しく掘り下げ、それぞれが音楽鑑賞やDAC、アンプ、ヘッドホンの選択にどのように関係しているのかをお話しします。
録音側では、ボリューム、ゲイン、ラウドネスを理解し、適切に調整することで、ノイズフロアが少なく、ダイナミックレンジの広い、よりクリアで高解像度の録音が可能になります（これらの用語については後述しますのでご安心ください）。音楽を楽しむ側では、これらの概念を理解することで、所有している機器の性能を最大限に引き出し、組み合わせる機器を正しく選択することができます。
最初から、少しズルをして、音量の項目にさらにいくつかの概念を入れておきます。パワーやラウドネスという言葉がよく使われますが、これらが音量とどのように関連しているかを知ることは重要です。
ボリューム、パワー、ラウドネス
まずは、3つの中で最も身近で直感的に理解できる「音量」の概念から説明します。簡単に言えば、音量とは、オーディオシステムの出力レベルをデシベル（dB）単位で表したものです。音量を大きくすると、音声信号の振幅が大きくなります。
音量はさらに、スピーカードライバーの出力（音量）と、アンプの出力（パワー）とに分けられます。パワーは、電圧の二乗を負荷抵抗（一般的にはヘッドホンドライバーのインピーダンスを指す）で割ったものです。ワット数と電圧が連動していることがわかれば十分です。
ラウドネスは、音量の主観的な印象であるため、最も定量化しにくいものです。ある人が大きな音だと感じても、別の人はそう感じないかもしれません。ラウドネスは、音の強度、持続時間、周波数のレベルに関連しています。
音量、パワー、ラウドネスは、すべて対数スケールで関連しています。一言で言えば、知覚されるラウドネスを2倍にするには、音量を10dB、電圧を3倍以上、パワーを10倍にする必要があります。
ラウドネス補正
ステレオアンプの「ラウドネス」ボタンをご存じでしょうか。この回路を作動させると、周波数応答カーブが耳の等ラウドネス特性とほぼ一致するように変更されます。ラウドネス補正とは、簡単に言えば、耳の感度が低いため、音量が小さいときに低音域を強調することです。音量感が周波数によってどのように変化するかは、フレッチャー・マンソン曲線が詳細を示しています*1。
ラウドネスの概念をさらに複雑にしているのが、（妥当な範囲で）音量を上げたときに、音のパフォーマンス（低音、音場、ディテール、拡張性など）の向上をどのように知覚するかという音響心理学的な効果です。私たちは主観的に「音量が大きいほど良い」と感じ、2つのオーディオ機器を比較する際に、音量の不一致だけで品質が向上したと勘違いしてしまうことがあります。
ボリュームは、ラウドネスの方程式から主観的な要素を取り除いたものです。音量とは、オーディオシステムのドライバーからの出力パワーをdB単位で表したものです。
まとめると、
- 音量＝スピーカードライバーの出力レベル（dB）
- パワー＝アンプの出力（W）
- ラウドネス＝音量の大きさの認識（dB）
となります。
ゲイン
ボリュームを大きくすると、出力される音声が大きくなります。ゲインもオーディオ信号の振幅を調整しますが、処理される前の入力段階でのことです。オーディオコンポーネントの入力でゲインを調整すると、回路を通過する「前」の振幅を制御することができます。ボリュームは、オーディオ信号が回路を通過した「後」の振幅を制御します。
- ゲインは、電気回路の入力側の音量と出力側の音量の比として定義されます。
- ゲイン＝信号出力／信号入力
ゲインは、比率（4xなど）で表される場合と、デシベル（12dBなど）で表される場合があります。4xは、アンプのボリュームコントロールを最大にしたときに、出力電圧が入力の4倍（入力1V、出力4V）になる場合の12dBと同じということです。一般的なヘッドフォンアンプのゲイン設定は、機種によって異なりますが、2〜3倍（ローゲイン）、5〜8倍（ハイゲイン）の範囲にあります。
ゲインが少なすぎると、ヘッドホンが十分な音量が得られません。ゲインが大きすぎると、ボリュームコントロールの小さな範囲しか使用できず（一般的にアナログボリュームポテンショメータではチャンネルの不均衡の問題が発生します）、歪みやノイズが増加します。一般的には、許容できるリスニングレベルを得るために最も低いゲイン設定を使用すべきであるという共通のルールがあります。
ゲインの調整は、音の質や音色に影響を与えますが、アンプの最大出力を上げるものではありません。ゲインを上げると、パワー不足のアンプが早くクリーンなパワーを失い、歪み始めることになります。ゲインは、オーディオ回路内の最大音量が、この歪みポイントに到達する前（クリッピング）にコントロールします。ゲインを下げることで、最大出力を制限することができ、最大音量に設定しても、装着したヘッドホンの音が大きくなりすぎたり、聴覚を損なうほどの音量にならないようにすることができます。
- ゲイン＝入力側と出力側の音量（信号の振幅）の大きさの比
ヘッドルーム
ヘッドルームを理解するためには、他のいくつかの一般的なオーディオ用語について説明する必要があります。まずノイズフロアですが、これはオーディオトラックの最も静かな部分（ヒスやハムが聞こえる部分）のことです。これは、オーディオ信号に含まれる不要な電気ノイズの合計です。ゲインを下げるとノイズフロアが下がります。
もう一方は、信号が歪み始める前の、オーディオの最大の部分です。前述の定義では、これをクリッピングと呼んでいます。ゲインを上げすぎると、オーディオ信号はクリップしてしまいます。この2つのポイントの間をダイナミックレンジと呼びます。ダイナミックレンジは、最大部分と最小部分のデシベルの差として定義されます。
- ダイナミックレンジ＝クリッピングポイント - ノイズフロア
アナログオーディオでは、クリッピング前のピーク振幅は電圧に基づいています。デジタルオーディオでは、クリッピング前のピーク振幅は、ビット深度に基づいています。
私たちが音楽を録音したり聴いたりするときには、音楽のトランジェントがクリッピングせずに増加したり（大きな音）、ノイズフロアを下回らずに減少したり（静かな音）するのに十分なスペースがあるように、ダイナミックレンジの真ん中あたりのレベル（「スイートスポット」）を目指します。ヘッドルームは、スイートスポットとクリッピングポイントの間のスペースです。
ヘッドルームは、オーディオの最も大きな部分と、サウンドシステムが歪みなく処理できるラウドネス閾値との差です。ヘッドルームとは、予備のパワーと考えてください。ヘッドルームとは、アンプで使用されていない利用可能な電力のことです。信号がクリッピングまで駆動された場合、利用可能なヘッドルームはありません。ゲインを上げると、入力ヘッドルームが減少し、振幅の小さい信号が出力段を最大にすることが容易になります。
まとめ
専門用語を専門的にならないように定義するのは難しいですよね。その定義は、数学的な計算や複雑な専門用語に発展するか、あるいは、すべてが曖昧すぎて理解できないかのどちらかです。願わくば、ボリューム、ゲイン、ヘッドルームの基本的な概念をより深く理解し、それらがどのように関連し、互いに異なるのかを少しでも理解していただきたいと思います。
音量は、ヘッドホンから出力される音声の大きさを示すもので、比較的単純なものです。ラウドネスとは、私たちが感じる音量のことです。ゲインとは、オーディオ信号が回路に入るときと出るときの比率のことです。ゲインを調整することで、オーディオ信号の品質に影響を与えます。低すぎるとノイズフロアが聞こえてきます。高すぎると信号がクリップしてしまいます。ダイナミックレンジとは、ノイズフロアとクリッピングポイントの間の空間のことです。ヘッドルームとは、ダイナミックレンジ内のスイートスポットとクリッピングポイントの間の利用可能なスペースのことです。アンプの場合、ヘッドルームとは、音楽の高度なダイナミック部分を歪みなく再生するための予備のパワーのことです。
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- 元記事の公開日：2021/10/11
- 著者：Trav
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*1:等ラウドネス曲線。現在はより正確なISO226:2003が用いられています。
