今回の実験室

今回は、これまでに作製したアクティブフィルタを利用し、低インピーダンスを駆動する回路（簡易的なパワーアンプ）を追加して、実際にスピーカから音を出します。
さらにフィルタの定数を可変することで波形と音の違いを比較します。

■実験方法

１．以下の回路図をブレッドボード上に作製します。

回路は、前回までに作製したアクティブフィルタ（LPF）の後段に、エミッタフォロワ回路とスピーカを接続した構成です。
一般的にスピーカは8Ωや4Ωといった低いインピーダンスであるため、オペアンプで直接駆動するのは難しくなります。
そこで、電流駆動能力を補うためにエミッタフォロワ回路を追加しています。
なお、外部のオーディオアンプを接続しても問題ありません。
入力信号には、これまではE-Stationの正弦波信号を使用していましたが、今回はパソコンやCDプレーヤなどのヘッドホン出力を利用します。

２．E-Stationの電源をONにし、半固定抵抗を回し適度な音量になるように調整します。
このときの波形と試聴した音の傾向を記録します。

３．アクティブフィルタの定数を変更し、その際の波形と音の変化を確認します。
今回は以下の観点で比較を行いました。
・LPFのカットオフ周波数の違いによる変化
・LPFとHPFの違いによる変化
これらを確認するため、以下の3つの条件で実験を行います。

■実験結果

１．以下のようにブレッドボード上に回路をつくりました。

２．半固定抵抗を最小（ゼロ）の位置にし、E-Stationの電源をONにして音源を再生しました。
　（今回はパソコンを使用）　
その後、半固定抵抗を徐々に回し、適度の音量に調整しました。

その結果、以下のような波形が観測されました。
なお、音楽信号は変化が大きいため厳密な比較は難しいです。今回は比較的広い音域が含まれる区間を記録しています。
（ストレージ機能付きオシロスコープであれば、より詳細な比較が可能です）　

３－１．LPFのカットオフ周波数fcを1073Hzから325Hzに変化させ、波形と音を比較しました。　
325Hzに変化させると、波形の振幅自体には大きな変化は見られませんが、細かい高周波成分が除去されるため、全体的に滑らかな波形になりました。
試聴結果としては、音量がやや小さくなり、こもったような音に変化しました。

３－２．LPFから同じカットオフ周波数のHPFに変更し、波形と音を比較しました。
HPFに変更すると、低周波成分が除去されるため、大きくゆっくりする波形が減少し、高周波成分のみが強調された波形となりました。
試聴結果では、波形から受ける印象ほどの音量の大きな変化は感じられませんが、高音が強調されたシャリシャリした音に変化しました。

■考察

今回の実験では、アクティブフィルタのカットオフ周波数やフィルタの種類（LPF／HPF）を変更することで、音に変化を与えられることを確認しました。
また、低周波成分をカットした場合、時間波形の振幅が小さく見える傾向がありました。これは音楽信号において低周波（低音）成分が比較的大きなエネルギーを持っているためと考えられます。
一方で、低周波成分をカットしても、波形の見た目ほど音量の低下を感じませんでした。この理由として、以下の点が考えられます。
　・使用したスピーカの低音再生能力が十分でなかったこと
　　（カット前の状態でも低音成分が十分再生されていなかった可能性がある） 
　・人間の聴覚は周波数によって感度が異なること
　　（HPFでは感度の高い中高音域、特に4kHz付近が相対的に強調されるため、音量があまり小さく感じられない） 
これらの結果から、評価の観点によって見るべき指標が異なることが分かります。
例えば、回路がクリップしていないかといった電気的な動作確認には時間波形の観測が重要です。　一方で音の特性やフィルタの効果を評価するには周波数特性の確認が有効です。
このように、回路や信号を正しく理解するには、時間軸と周波数軸の両方から総合的に評価することが重要であると言えます。