モノ創りの科学 第3回

アナログ vs. デジタル？

環境情報学部　高汐 一紀

アナログとデジタル

モノの量に比例する尺度で表す(アナログ)か 量を量子化して表す(デジタル)か．．

原子で構成される物質界（アナログ）と ビットによる新しいデジタル世界．．

例えば．． ‒ アナログアンプ vs. デジタルアンプ ‒ Book vs. CD-ROM（？） ‒ アナログ的な思考 vs. デジタル的な思考

アナログ

自然界にある物理量 ‒ スピーカから流れる音楽 ‒ 古典物理学での温度，長さ，電圧，etc. 電気での応用では．． マイクロホン：

自然界の音圧（振動）を相似な電気信号である電圧や周波数に置き換える

‒ 時間，電圧ともに常に連続したアナログ値 ‒ 有限桁の数値で真の値を測定・表現することは不可能 ‒ 有限桁数の数値での近似値を観測量として用いる

デジタル

アナログ量の情報には不確実性が伴う ‒ 計算機との相性が悪い ‒ 真と偽の厳密な価値観が不明確 デジタル（Digital） ‒ ラテン語の “Digitus” が語源（「指の」という意味） ‒ 離散量：2つの量を一定の値の境界で厳密に区別 ‒ 減衰や雑音に強く，極めて信頼性が高い ‒ ON か OFF か（1か0か）の電気信号で情報を処理す

る計算機と相性がよい

アナログからデジタルへ（A/D 変換）

標本化（サンプリング） ‒ 時間的，空間的にいくつかの標本点を決め

その点での信号の強さを測定 ‒ 時間的に標本化 → 標本化周波数 ‒ 標本化誤差

量子化 ‒ 標本点で測定した信号の強さを

有限個の段階で近似 ‒ 量子化ビット数 ‒ 量子化誤差

アナログとデジタル．．再び

五感による感覚情報は全てアナログ 外部の刺激が脳の中枢に到達することにより引き起こさ

れる意識の現象 ‒ 視覚としての光量 ‒ 触覚としての圧力，温度 ‒ 味覚としての化学量，等々 高度に情報処理された結果も，最終的な出力段ではアナログ情報に変換（D/A 変換） ‒ どの時点で？？ ‒ 例えば，，デジタルアンプとスピーカの関係

アナログとデジタル．．再び

高度なデジタル情報処理を実現する計算機もミクロに見れば，，

ロジックを実現するデジタル回路の集合 デジタル回路の動作原理は電子回路の応用 要するに基本はアナログ！！

今日の題材は．．

ノイズキャンセリングヘッドフォン

BOSE QuietComfort2

http://ka10.net/blog/archives/date/2005/02/

BOSE QuietConfort2 の内部構造（BOSEサイトより）

ちょいとバラしてみる

アクティブノイズキャンセリング かなり詰まってますな．．

動作原理

原理は単純 ‒ 音は波である ‒ 波は元の波と位相が正反対の波をぶつけると消える

軽く実験

動作原理の確認をしてみたい．．どうする？ 用意した道具 ‒ 正弦波発振器（PC） ‒ オシロスコープ（PC） ‒ スピーカ 2台（アクティブ型） ‒ マイク（PC 用） ‒ 接続コード諸々

便利なツール

オシロスコープ 目に見えない電気の現象を視覚化してくれる測定器 ‒ 波形観測 ‒ スペクトル解析（FFT解析） ‒ 信号のタイミング測定（マルチチャンネル） ‒ 周波数応答特性解析

発振器 ‒ 正弦波 ‒ 矩形波 ‒ 三角波 ‒ のこぎり波 ‒ ピンクノイズ

オシロを買うのは．．というあなたに

PC を利用したオシロスコープ ‒ PC オーディオ機能（A/D 変換・D/A 変換）を利用 ‒ 数 kHz までの波形観測が限度

九州大学 烏谷氏 作「ハンディ・オシロスコープ」 http://www.vector.co.jp/soft/win95/art/se376225.html ‒ FFT 解析，周波数応答特性解析，発振器機能，他

HandyOscillo：メイン画面

HandyOscillo：波形発振器

上手くいきそうだが．．

音源を離すと明らかに消音効果が薄れる なぜ？

ビジュアル物理：円形波の干渉

http://www.ne.jp/asahi/tokyo/nkgw/gakusyu/hadou/kyumenha/enkeiha-new.html

実際のところ．．

うまく位相が会うところでは消音効果がある ずれた方向ではかえって逆効果

遠くから来る音（騒音）

作った音（音源）

混合音（音源）

音が消える方向

音が増幅される方向

ノイズキャンセリングヘッドフォンの自作

http://assam.cims.hokudai.ac.jp/~josch/workshop/ elec/anc/anc.htm

http://www.headwize.com/projects/noise_prj.htm

位相反転＋増幅回路

オペアンプによる反転増幅

サンプル回路 http://assam.cims.hokudai.ac.jp/~josch/workshop/elec/anc/anc.htm

http://www.ecat.sony.co.jp/walkman/zoom.cfm?PD=26157&PCT=24479

プロダクト

SONY ウォークマン ‒ インイヤーヘッドフォンタイプ

http://www.honda.co.jp/LEGEND/interior/activenoisecontrol/index.html

その他の事例

HONDA LEGEND アクティブノイズコントロール作動イメージ

その他の事例

ダクトの消音 ‒ 排気用ダクト ‒ 発電用ガスタービン

今日の課題

1. オシロがあったら何を観察してみたい？ 2. ハンディ・オシロスコープをインストール

（オプション） ‒ 内蔵のマイクで音を拾ってみる ‒ ない場合はヘッドフォンをマイク端子に．． ‒ 使ってみた感想（「なんじゃこりゃ？？」もアリ）

提出先：SFC-SFS 授業ページ 期限：今日（4/28）中