MusicMan RD50のトーン回路調整

先月、Music Man RD-50 のリードチャンネルの増幅回路定数を微調整しました。一定の効果を得られたため、仕上げのつもりでスピーカーユニットを Celestion の G12-65 に換えています。

Celestion G12-65
オリジナルは、1979～1980年代半ばごろの Marshall 1960 キャビに搭載されていたユニットです。
G12M Greenback をそのままハイパワー対応ってされてるものの、比べてみると結構違います。
個人的には、1984年くらいから同キャビに搭載された G12T-75 よりも好みで、特にこの RD-50 とは相性が良さそうに思えて買いました。

MM RD-50 はオープンバックキャビネットなのですが、自室のほぼ壁際に置いているため音響的にはクローズドバックに近くなっています。オープンバック本来の「自然で開放的な響き」を得られていないって面ではマイナスだと分かっちゃいるものの、自宅で壁から1メートル以上空けてアンプ置いてるヤツもなかなか見かけません。
このような設置環境では低音が緩かったり、逆に強くなったりもしますけれども、この G12-65 は比較的にフラットです。

ユニットの慣らしもいい感じになった今日この頃、ストック回路の「中低域の濁り」がノイズのように感じてきました。
トーンノブを動かしてとりあえずの体裁は整いますが、所詮はコントラストの調整に過ぎず、もっと源泉でのチューニングが必要です。

インピーダンス・スケーリング

上図は、RD-50 (Rev.A回路) の入力～トーンスタックの回路です。
基本的にはフェンダー系で、違いは初段オペアンプ増幅からの低インピーダンス設計です。Fender AB763 等に比べると、およそ 1/10 の値。
抵抗値が下がれば、物理現象である熱雑音は劇的に減少しますけれども、周波数特性 (カットオフ周波数) を維持するためにキャパシタ容量は大きくする必要があります。
C5 が 0.22uF と巨大なサイズになっているのは、低インピーダンス設計の帰結です。

また、AB763系トーンスタックは3つのキャパシタで構成されるのに対し RD-50 では2つで、一見すると Bass 用キャパシタが欠落しているように思えます。
が、実際はトポロジーの再構築がされていて、C5 がその役割を兼任、あるいは拡張しています。

トーンスタックでは、抵抗とキャパシタの比率が音のバランス (EQカーブ) を決め、抵抗とキャパシタの絶対値が回路においての「力のかかり方」を決定します。この絶対値を揃えて上下させているのがスケーリングです。

ただし、EQカーブ自体は類似でも信号の引っ張り方が異なるため、弾いた感触も変わります。
高インピーダンス側では「柔らかい」「粘る」「追従する」と感じ、低インピーダンス側では「速い」「硬い」「輪郭がハッキリ」と感じやすいです。Dumble と Trainwreck で例えるとイメージしやすいかも。
音色を保ったままにアンプがプレイヤーに返す「力加減」を調整する設計手法。これが、インピーダンス × スケーリングです。

トーンスタック回路の起源

少し脱線して、ギターアンプのトーン回路がどこから来たのか想像してみます。

1950年代の Tweed 期フェンダーアンプの TONE は特定帯域のカット回路で、多くは高域のみを落とす可変ローパス、あるいは中高域を削る簡易ネットワークです。
音色調整というよりは「耳障り対策」と言えるかも知れません。

いろんな意味で手本としていた Western Electric や RCA では、1930～40年代には複数音源のミキシング機器が実用化されています。これらのミキシングコンソールにはイコライザーが併用され、また、Audio Engineering などのオーディオ機器雑誌にも、Bass / Treble 用のトーンコントロール回路例が既に記載されているのが確認されます。
これらの史料から、単純なミキシング機能 + 基本トーン調整は少なくとも戦前〜戦後すぐに存在していたという事実が確認できます。
具体的な回路例で検証可能なものは極めて少ない状況のため、どこまでがフェンダーアンプと類似していたかは推測の域を出ませんが、同種のRCネットワークであれば、よく知るフェンダー型 (中域が落ちる) に近い周波数特性が原理的に発生していた可能性が高いです。
※ 少なくとも、画期的と称された1952年の Baxandall 登場以前は。

フェンダーアンプのトーンスタックは、1950年代以前の PA / 放送用EQ に由来していると考えられ、差分として 100Hz〜5kHz 前後の楽器帯域に特化させたと分析できます。

その後、操作ミスが許されなく再現性が重要な PA / 音響の世界では、より公平な Baxandall 型やアクティブ EQ が標準となります。

ギターアンプにおいては未だにフェンダー型が主流となり、他の構成はペダルタイプ以外ではあまり見かけません。ただ、個人的にはセンター = フラット、±ブースト/カットが一番しっくりきます。

めちゃ余談を挟むと、センター基準タイプのトーンスタックはベースアンプでは早くに実装され、Ampeg (特にSVT以降) や Acoustic、Gallien-Krueger など枚挙に暇がありません。アンサンブルにおけるベースの役割だったり PAとの距離の近さもあってか、やはりベーシストは迫害されてるだけあって寛容というか全体最適志向です。

スピーカーとの補完関係

動かしがたい事実として、アンプ単体では音は成立しません。ギターアンプの出力は、スピーカーユニットを前提とした信号になってます。
で、アンプ単体の周波数特性は、意図的に不完全です。

Leo Fender がどこまで狙っていたかはともかく、1950～60年代の Jensen スピーカーは「低音が出ない」「高域は速く落ちる」「中域 (1〜3kHz) が強く盛り上がる」「共振 / ブレークアップあり」って特徴を持ち、結果としてフェンダー型トーンスタックと均衡します。
これを拡張したのが Marshall + Celestion で、さらに深い中域処理とより強い 2kHz ピークで、ロックミュージックに最適化されました。

興味深いのは、1960年代後半から1970年代にかけて、いくつかのアンプに搭載されていたフルレンジスピーカーの存在です。
Fender Twin Reverb / Showman + JBL D120F の組合せがまずイメージされ、Acoustic Control や Standel も JBL / Altec のユニットを載せてました。
これらのスピーカーは、高能率だし大入力対応だったりで優秀ではあるものの、フェンダーアンプとは相性が悪いと思ってます。中域がフラットで高域が伸びる特性は、フェンダー系トーンスタックと組み合わさった際ではピッキングは硬く聞こえ、音も前に出ません。ギター用途では「下手さまで忠実に再現する」のです。よほどのプレイヤー以外は、安易に手を伸ばさない方が楽しめます。

同系統では Electro-Voice だけが特殊 (高域は JBL ほど出なくて中域に軽い自己主張、コンプレッション感もわずかにある) なんで、このちょっとズルいユニットはひとつあると重宝します。

現代においては、マルチエフェクトペダルや Line 6 などには FRFR (Full Range, Flat Response) キャビネットが推奨されます。
ギターアンプキャビネットとの違いについては、例えで表すのが分かりやすい (？) です。

“I really like this sound.”
これをリバプール寄りのイギリス人が読むと、I REA-lly like this sound.
子音が明瞭で母音がやや引き締まる感じで、抑揚は控えめ。
ミシシッピ出身のアメリカ人では、Ah reeeally laaahk this saaaund…
母音が長く、語尾が伸びます。全体にレイドバックしてるみたい。
同じアメリカ人でもニューヨーカーの場合は、I REE-ly LIKE this sound.
と、リズム感が前に出るイメージです。
フランス人が話す英語にも特徴があって、I really like zis sound↗
母音が丸く、独特のリズムで語尾が上がります。
日本人は、Ai ri-a-ly lai-ku disu saundo.
母音が均等で子音が弱く、抑揚も少なくなりそうです。

これらの違いが、そのままギターアンプキャビネットにも当てはまります。
※ Celestion の抑揚が控えめ、とかそういう意図ではありません。

FRFR スピーカーは訓練されたアナウンサーみたいなもので、クセの無いニュートラルなアクセントで I really like this sound. と発音します。
敢えて言うなら JBL / EV がこれに近いと感じますが、彼らは声がデカいです。
なんにせよ、ギターアンプを FRFR に繋ぐときは、キャビシミュ / IR を挟むのを忘れずに。

調整する定数

では、トーンスタックの調整内容を紹介します。

再定義したのは3箇所。
この調整は、入り口を整え (C2)、土台を広げ (C4)、濁りを削る (R8) という3段階のプロセスで構成されています。

C2 (47pF): 信号の源泉を磨く
最初のセクション (IC-1A) のフィードバックループにおいて、抵抗 R2 (220kΩ) とキャパシタ C2 (47pF) はアクティブ・ローパス・フィルター (LPF) を形成し、ギターの有効帯域 (〜6kHz) を遥かに超える 15.4kHz 以上のノイズや発振成分をカットします (正確には帰還量を増やすことで結果的に落としている)。
元値の 50pF (≈14.5kHz 以上をカット) でも全く問題無いのですが、ここはキャパシタの種類をセラミックからシルバーマイカに変えて「信号の純度」を整えるのがメインであって、手持ちの値がたまたま 47pF だったってだけです。…電子部品の世界では 47pF (E系列) の方が標準的だし。

C4 (0.01µF): リードの骨格を太くする
リードチャンネルの入り口にある C4 は、トーンスタックの入力インピーダンスと共にハイパス・フィルター (HPF) として機能します。
入力インピーダンスを 50kΩ と仮定すると、カットオフ周波数は 𝑓꜀≈ 468Hz → 318Hz に引き下がり、エネルギー供給量は約 30% 拡大します。シングルコイルPUでの使用が前提なんで、より低い周波数のエネルギーを次段に送り込む目的です。

R8 (1kΩ): 中域の濁りを彫刻する
トーンスタックの底にある R8 は、中域の減衰量 (ノッチの深さ) とその境界線を決定します。
パッシブ・トーンスタックにおいて、R8 の値を下げることはグランドへの「逃げ道」を広げることを意味してます。1.5kΩ では逃げ道が狭いため、中域が飽和しやすく歪ませた時に音がダマになりやすいです。これを 1.0kΩ にしてインピーダンス比を調整し、濁りの原因となる成分を効率よく逃がします。
狙いとしては、C4 で増やした中域の中から、音がボヤける原因となる 200Hz〜300Hz 付近の濁りを R8 でピンポイントに整理し、ノッチの底をより低域側へと押し下げます。これにより、これまで埋もれていた 500Hz～1kHz 付近の音の芯を浮き彫りにします。
G12-65ってスピーカー自体が豊かな中域を持っているため、回路側で濁りの境界線をあらかじめ整理しておくことで、飽和を防ぎつつ太さと解像度を両立させた立体的なトーンを作る企みです。

「引き算」の回路

パッシブ・トーンスタックには増幅素子といった電源が含まれていないため、特定の帯域をブーストすることはできません。基本的にはどこをどれだけ捨てるかで音を作っています。
また、各ノブは独立したチャンネルのように機能しているのではなく、互いに影響し合う一つのネットワークとして動作します。

RD-50 はミドルレンジが固定抵抗 (R8) であるため、相対的な変化としてこれが現れます。具体的には、TREBLE と BASS を上げると高域と低域の通過量が増えて固定されている中域の音量は相対的に小さくなり、聴感上はミッドスクープが深まったように聞こえます。
両ノブは R8 を介して接地されており、どちらを回してもインピーダンスバランスが変化します。
BASS を上げれば低域だけでなく 400Hz～600Hz 付近も持ち上がって「中域の厚み」が変わったように感じますし、TREBLE を上げると高域のカットオフ周波数が低域側に寄って、中高域の成分までを TREBLE ノブが支配するようになります。

今回の調整定数でもこのキャラクターは若干残りますが、もともとの低インピーダンスも相まって、フェンダー型のシーソーみたいな全体干渉っぽさはほぼ消えます。中域をアンカーで固定したかのような挙動となり、BASS を上げても中域のキレを維持したままに音の厚みをコントロールするイメージです。

私感では MIDDLE ノブが無いことは欠点ではなく、望ましい中域の状態を固定して TREBLE と BASS でその周辺を整えるという、迷いのないストレートな設計に寄せることでお釣りがきます。

実装作業

いよいよ実装です。

対象はこの3つ。
初段増幅～トーンスタックですんで、インプットジャック周辺から探せばすぐ見つかります。

んで、交換後がこちら。

C2 にシルバーマイカ、C4 に ERO KT1800、R8 は Allen Bradley 1/2W です。

シルバーマイカは熱に強いためセラミックほど神経質になる必要はありませんが、基板からわずかに (2mmくらい) 浮かせて実装すると、基板の振動から隔離されてよりクリアな結果が得られるみたいです。

ERO KT1800 のようなアキシャル型フィルムキャパシタには、巻き構造に起因する方向性が存在します。一番外側の電極 (アウトサイドフォイル) は物理的にキャパシタ全体を包み込んでいるため、ここを信号の送り出し側やグラウンド側といったインピーダンスの低い側に接続することで、外来ノイズに対するシールドとして機能します。
今回はこれをオペアンプ側に向けます。
つっても、グランド配線だったり部品レイアウト等の基礎がちゃんとしてる前提で得られる相乗効果であるんで、この1箇所を揃えたから直ぐに効果があるとは思ってはいないです。マナーです。

動かざるMiddleアンカー

今回の調整によって、100Hz 以下の Sub Bass (超低域) と、200Hz 付近の Low-Mid (中低域の濁り) を分離させることに成功しました。
ストック回路の Bass コントロールでは、ノッチの底が 280Hz 付近と高めに設定されていたため、BASS を上げると中域の裾野までもがルーズに持ち上がり、太くなったと同時にボヤけたようにも感じていました。スピーカーを換えてからは 特に。
調整後は中域の谷をグランドに強烈に固定しているため、BASS ノブを回しても中域の壁は微動だにせず、独立した超低域のみが駆動するようになっています。
例え TREBLE / BASS フルアップ設定でも、Celestion G12-65 のシルキーな個性をジャマすることはありません。

誤解のないように補足すると、トーンスタックで中域を能動的に整形しているのではなく、濁りを排して「道を開けておく」という考え方です。中域の最終的なテクスチャは、パワー管だったり出力トランス、そして G12-65 の機械的・電気的共振に委ねています。
まぁ中域のキャラクターをほぼスピーカーに一任するって割り切り構成ですんで、賛否はあると思います。

また、人間の耳は中域の変化には敏感ですが、超低域の変化には鈍感です。そのため、このアンプに触れると「BASS 効かねぇ！」と驚かれるかも知れません。
でもこれが、僕が考える「超低域の質量管理」としての Bass コントロールです。

で。
このモディファイ領域に片足つっこんだ調整は、音量を上げるほど真価を発揮します。
ボリュームノブをいつもより2つ上げてドラムが入るような爆音環境では、これまでの RD-50 であれば低域が潰れていたセッティングでも、「音圧だけが上がり、解像度が一切落ちない」というステキ体験が待っています。

スロースターター

今年で製造 45 年を迎える RD-50 は、龍紋鬼灯丸ばりに目覚めが悪いです。
電源投入後、およそ 5〜6 分間は音が割れます。電解キャパシタが乾きかけてるんだと思います。

電解キャパシタは、内部の電解液が化学反応を起こすことで絶縁層 (酸化皮膜) を維持しています。
劣化が進むと、低温時では内部抵抗 (ESR) が増大し、さらに酸化皮膜の不完全さからリークが激しくなります。通電や周囲の熱によって電解液が温まれば、一時的に化学反応が活発になり、ESR が低下してリークが減少し電圧が安定します。
「5分くらい待てばいいじゃん」って目を背けると、まずはパワー管へのダメージ、最悪はトランス焼損のリスクを孕みます。

電解キャパシタの寿命は、物理学 (化学) における「10℃2倍則」という法則 (アレニウスの式) に支配されています。
「使用温度が10℃下がれば、寿命は2倍に延びる」というこの法則により、風通しの良い場所で大切に使えば20年持つこともありますが、真空管の熱がこもるアンプ内部では、45年という歳月は電解液がドライアップするには十分すぎる時間です。
また、通電時間によって物理的に消耗していく真空管と異なり、「あまり使っていないから大丈夫」という考えは電解キャパシタには通用しません。むしろ、適度に使用している個体の方が長持ちする傾向があります。

うーん。割れた音で 5分間ブルースを弾くのも一興ではありますが、電解キャパシタの交換は先延ばしにしたくないです。