【音比較】真空管アンプでの音変化【入力～出力】

真空管アンプにギターの信号が入力されてから、スピーカーへ出力されるまでの間に、どのような過程を経て音（電気信号）が変化していくのかを、Vanish（マーシャルのアンプシミュレーター）の開発用テストポイントを使って追ってみました。

また、一般的なアンプシミュレーターが実機の動作とズレてしまう要因についての考察や、ちょっとした豆知識も紹介しています。

使用した音源、セッティング

入力ソースは、無料アンプシミュレーターの音比較（前編＆後編）で使用したリフ音源を使いました。

セッティングは Vanish のデフォルト設定から、以下を変更しています。
・アッテネーター：Bypass
・ステレオ化エフェクト：オフ
・アンビエンス：オフ

アンプ内部での音（電気信号）の変化を追っていきますが、そのままの（ライン出力の）音で比較するのも…と悩んだ結果、全ての音源をキャビネットシミュレーションを通した音で用意しました。

※ 音源の音量は比較しやすいように揃えてあります。

初段のプリ管出力

カソード接地の増幅回路で、入力された信号は正負が反転＆約 50 倍に増幅されます。バイアス電圧（＋側のヘッドルーム）は 700 mV 程度ですが、パッシブのギター入力ならアタックがギリギリ歪むかどうかくらいです。

アンプシミュレーターの手前にペダルを繋ぐ場合

アンプシミュレーション（デジタル信号処理）では、オーバーサンプリングが必要な歪み処理の数はなるべく減らしたいという事情があります。
ボリューム回路前段に歪みが入っていないアンプシミュレーターも少なくないと思いますが、その場合は初段の真空管の歪みは再現できないので、手前でクリーンブーストしてしまうと実機と特性がズレていってしまう可能性が高いです。

逆に、オーバードライブやコンプレッサーを繋ぐと実機っぽくなるという話も聞きますが、（省略された）初段の真空管の代わりを担ってくれているのかもしれません。

ボリューム回路後段（2段目のプリ管入力）

※ 比較の都合上、歪みの影響を除いています（実際に実機でこのポイントを測定すると、バイアス電圧を超えた場合に＋側が歪みます）。

Ch.1 ではハイパスコンデンサー回路を 2 つ通ります。前段ではボリュームを絞るほど高域が強調（ギターのハイパスコンデンサー回路と同じ）されますが、今回はボリューム全開なので後段の回路のみが影響しています（100 Hz～10 kHz にかけて 5～6 dBほど低域がカットされます）。

Ch.1 と Ch.2 の信号がこのポイントで合流しますが、単純に（抵抗を介して）繋がっているだけなので各 Ch の信号はもう一方を逆流し、接続していない側の Ch の LOUDNESS（ボリューム）も僅かに特性に影響します。

また、LOUDNESS 1/2 を操作すると後段の真空管のグリッド抵抗が変化してバイアスのかかり具合にも影響が出るので、歪み方が変化します。

2段目のプリ管出力（後ろ側のカソード電圧）

初段と同様のカソード接地の増幅回路と、カソードフォロアの組み合わせです。前段で約 50 倍、後段はほぼ等倍、2 回反転するので向きは変わりません。

1959/1987 と 2203/2204

Marshall 等で使用されているプリ管は 1 本あたり 2 回路入っていて、初段の真空管を各 Ch で 1 回路ずつ使うのが 1959/1987、より歪ませるために 2 回路直列（High 接続時）にするのが 2203/2204 です。

現行品では、Plexi (JMP) は 1959 / 1987、JCM800 は 2203 がリイシューとしてラインナップされていますが、JMP 2203/2204 と JCM800 1959/1987 も当時は存在していたので、特にビンテージの方の話をする場合は、後ろの数字まで含めた方が語弊がないかと思います。 

Plexi (JMP) と JCM800

実は最終版の JMP と最初期の JCM800 は回路図的にはほぼ一緒です（ちゃんと照合した事がないので、もしかしたら同じかもしれません）。

Plexi と JCM800 とでは全く違う音の印象を持っている方も少なくないと思いますが、これは純正キャビネットの 1960 に搭載されるスピーカーユニットが、この頃に G12M や G12H から G12T に変更されたためです。
Marshall は中低が出ると言われたり、逆にドンシャリだと言われたりするのも、個人的にはそれが原因だと思ってます。

トーン回路出力

Plexi から最新機種の JVM まで、ほぼ変わらずに採用され続けているトーン回路です。TSC のサイト で各つまみを操作した際の特性が見られます。

アンプシミュレーターは回路をシミュレートしていない？

アンプシミュレーターでは、各つまみの操作を音を出したままリアルタイムに反映しなければならないので、安定して動作する事がとても重要です。
回路シミュレーションは不安定な高次のデジタルフィルターを使用する必要があるため、安定性に優れた低次のデジタルフィルターの組み合わせで近似して、実機合わせで調整しているメーカーがほとんどかと思います。
↓ の記事でトーン回路の設計を推定しています。

実機合わせのモデリングについて

つまみが 1 つの回路であれば、実機合わせはとてもコストパフォーマンスが高い選択肢です。1 目盛り刻みの計 11 段階で合わせれば、実用上は十分な精度が出せると思います。

トーン回路では BASS / MIDDLE / TREBLE の 3 つのつまみがそれぞれ影響し合うため、組み合わせは「合わせるポイント」の 3 乗にもなってしまいます。0 / 5 / 10 の 3 つずつ（27 通り）か、もう少し頑張って 5 つずつ（125 通り）あたりが現実的な落とし所かと思います。

位相反転回路出力

ムラード（マラード）型と呼ばれる位相反転回路です。20 倍くらい増幅されるので、MASTER 無し / MASTER 全開の場合はプリアンプのゲインステージ 1 つ分くらい歪みます。
この歪みを保ったまま音量を下げたい場合は、PPIMV: Post Phase Inverter Master Volume を取り付けるか、アッテネーターが必要になります。

また、この部分は位相反転だけではなく、負帰還（NFB: Negative Feed Back）と PRESENCE 機能も加えた欲張りセットとなっていて、 アンプシミュレーターの開発で最も難易度が高い部分です（難しいんですが、真空管アンプらしさに繋がる一番重要な部分だと思っています）。

回路シミュレーションについて

アナログ回路の特性（伝達関数）は計算によって求めることができます。この伝達関数をデジタルで扱えるように離散化（線を点に置き換える）して、遅延器を使った積和演算で構成すれば、アナログ回路を通した音（電気信号）のシミュレーター（エミュレーター）を作ることができます。

回路をなるべく小さく分割してからシミュレーションすると、計算がシンプルになって、精度も出て安定性も高まります。回路を分割する際は、前後の繋がりを入力インピーダンスと出力インピーダンスで表現します。

位相反転回路のシミュレーション

位相反転回路は負帰還でスピーカー出力を戻している（入力と出力が繋がっている）ため、位相反転手前からスピーカー出力までの回路を一気にシミュレーションしないと正しい特性が得られません。

コンデンサー、コイル、真空管の数だけデジタルフィルターの次数は上がっていくため、位相反転回路をまともにシミュレーションすると 14 次程度のデジタルフィルターが必要になります。

※ Vanish も位相反転回路だけは回路のエミュレーション（理論通りのシミュレーション）はできていません。位相反転や負帰還の動作は再現していますが、現実的な次数になるように工夫を凝らしてモデリングしています。

スピーカー出力

1960BXを接続

アッテネーター（DM-X: 20%）を介して1960BXを接続

ダミーロードを接続

パワー菅を 2 本使ったプッシュプル回路（DEPP）で、ピークで 100 W くらいまでは電力が増幅されていると思います（危険なので測定はしていません）。

出力トランスを介してスピーカー（キャビネット）と接続されますが、繋がれたスピーカーのインピーダンス特性の影響を大きく受けます。
これは、スピーカーの入力インピーダンスに対して、アンプの出力インピーダンスを十分に下げられないのが原因です。

音源を聴き比べると分かる通り、1960BX を直接繋ぐのに対して、アッテネーターやダミーロードを使用するとアンプ出力の音が変化します。
また、スピーカーのインピーダンス特性を模したロードボックスについても、音が出ない（とても小さい）別の特性のスピーカーのようなものですので 1960BX を直接繋いだ音にはなりません。

アッテネーター、ダミーロード、ロードボックスそれぞれの、音の変化を理解して使うことが大切だと思います。

パワー”段”の歪み？パワー”管”の歪み？

私も昔は「パワー”管”の歪みが好きだ！」と言っていましたが、ギタリストが語るパワー”管”の歪みは、その手前の位相反転回路も含めたパワー”段”の歪みであることがほとんどかと思います。

また、プッシュプル回路での歪みは、過大入力による歪みとは別にクロスオーバー歪みというものもあって、パワー”菅”の歪みと言うとクロスオーバー歪みのことを指す場合も少なくありません。
クロスオーバー歪みについては ↓ の記事で解説しています。

ご自身が好きな歪みはどの部分の歪みなのか、この記事や Vanish が少しでもヒントになれたら幸いです。