カーオーディオのノイズについて

質問

カーオーディオのノイズについての質問です。

■知りたいこと。
例えばオルタネータがノイズ源であるとき、オルタネーターにどういった現象が起こりノイズが発生し、それが放射ノイズでは何処に結合し、機器のどのルートを通りノイズになるまでの過程を経るのか。
また、その時のノイズのモードはどうなってるのか。
伝導ノイズでは、機器のどのルートを通りノイズになるまでの過程を経るのか。
またその時のノイズのモードはどうなってるのか。

機器側でフィルターやアイソレーションで対策されているにもかかわらずノイズが出てしまう場合は、どんな要因でノイズが出てしまうのか。

ノイズが機器へ入ってから音になるまでの仕組み。

■やりたいこと。
オーディオ機器側では、音に悪影響のでない対策についてだけ実践し、出来る限り車両ノイズ源にたいして対策したい。
またその対策も、場当たり的なものではなく、ちゃんと理解した上で行いたいです。

■EMCについて色々調べてみましたが、基礎中の基礎が薄らぼんやり知ってるって程度で、消化しきれていないのが現状です。

正直申しますと、スキル不足、勉強不足は否めません。
返答頂いた内容もひょっとしたら理解できないかもしれませんが、何年かかってでも消化するつもりです。
これから一生懸命補いたいので、徹底的に教えていただけると助かります。

回答No.3

HAL2（@HALTWO） · ベストアンサー

A No.1 HALTWO です。

>オルタネータがグランドに及ぼす影響で伝導ノイズが機器へ回りこむ可能性はありますか？

論理的にはあり得ますが、車自体の Ground Mass が 1t 前後の巨大な鉄の塊であることや、車から地面に僅かながらとは言え Ground されていますので、Ground Level (電荷) 変動による Ground Noise は殆んどないと言えるでしょう。

Audio 機器の Ground と Battery 径路を含む他の機器との Ground は共通なのですから Ground Level が変動しても Ground Level から電力供給 Level までの差は常に一定と見ることができます。

＞ホット、コールドにそれぞれ結合したノイズが機器を通り、アースからグランドを経てバッテリーに帰ると言った感じで大丈夫でしょうか。

Hot に繋がる剥き出し部分と Cold に繋がる剥き出し部分の抵抗値や剥き出し形状は一致しませんので、Hot と Cold に飛び込んで同調してしまう電波 Noise が同じものであるとは限りらず、両者の差は Amplifier で「増幅すべき Signal」になってしまいます。

Hot と Cold の両方に等価で入る Noise は浮遊容量 Common Mode Noise ですが、差分は Differential の Normal Mode Noise です。

超高周波で動作する PC の内部はこのような Normal Mode Noise だらけですので PC の Earphone 出力 Amplifier は Ground こそ他の回路と共通に結ばれていても、剥き出しの回路に飛び込んでくる電波 Noise の影響を受けますし、Mouse Click 時の Application 切替電流などといった Ground では処理し切れない突発的な大 Noise も増幅してしまうことから、PC からは USB などの Digital で出力して外部で Analog 信号に変換した方が良いというのもこうした理由に因るものです。

＞オーディオ機器側ではなく、ノイズ発生源である車両機器側への対策をメインで考えることは、実現可能でしょうか。

可能です。・・・正確には「車両機器側への対策」の対策ではなく「車両機器と Audio 機器との間の径路で不要な Noise を遮断する」ということですが・・・。

それが Audio 機器の前に取り付ける LPF や Ferrite Beads Filter です。

Audio 機器への電源 Cable に LPF を取り付ければ DC Line になっている筈の電源 Cable 内電流に乗っている高周波 AC Noise を Filter できますし、CD Player や Audio Center と Power Amplifier とを繋ぐ Line Cable に LPF を取り付ければ 20kHz 以上の不要な高周波 Noise を Filter することができるというわけです。

車の発動機とそれに繋がる System 全体を電磁 Shield することは不可能ですので、各々の Audio 機器の直前で不要な Noise を Cut するのが現実的でしょう。(勿論、端子部は絶縁 Cover を被せるべきでしょうし・・・)

お礼

有難うございました。
仕事でバタバタしておりまして、ご返信が遅れましたことお許し下さい。

スキル不足な私にも解決への足がかりとなる有力な情報を沢山頂きました。
現時点では消化できないことも多々ありますのが、頂いた情報を無駄にしないよう、これから実際に実験を交え消化してゆこうと思います。

回答No.4

ponpokona-

No,2です。

>測定データは、何処を測定したものか教えていただけませんでしょうか。
No,2で書いた、プラマイともバッ直の14Vです。これだとノーマルモードノイズということになるでしょうか。電源ラインをシャーシと分離しても、バッテリーを通じて繋がっていますし、放射ノイズも拾いますので、こうなるようです。

以下、私も勉強不足ですが・・

>●1
機器内部で発せられた放射ノイズは、機器自体が閉じられた空間ですし、ボンネットも下部を除けば閉じられた空間ですので、ほとんどがシャーシに吸収されるのではないかと思います。
ただ、直接の伝導ノイズとくらべると少ないのではないかなぁ、と想像しますが・・。

>●2
ノイズフィルターは、バッ直で引き出した電源ラインに入れました。インダクターとケミコンでパイ型フィルターを3つ構成した場合のものです。
キャパシタをいくつか試せば、お気に入りができるのかもしれませんが、むやみに試しても散財するだけのように思えて、自重しています。安価なもので試した範囲では、ケミコンより電気二重層のほうが好みでしたが・・。

また、バッテリーも原理的には内部抵抗が低いドライバッテリーやシリコンバッテリーなどのほうが良さそうです。が、現実はなかなかそうもいかなくて、OPTIMAのイエロートップの音が気に入らず、Panasonicのcaosに買い替えたりしていますので、これからも要検討ですｗ

>●3
>その時は逆にノイズが出てしまい、結局元に戻しました。
あまりはっきりしたことは申せませんが、接続方法によっては機器間の電位差が生じている場合、放射ノイズを強烈に受けている場合、などあろうかと思います。

お礼

有難うございました。
仕事でバタバタしておりまして、ご返信が遅れましたことお許し下さい。

実例を交えての回答は、大変参考になります。
私も色々対策をしてるので、私の時の結果と照らしあわせてみたりすることで、色々な情報を読み取ることができました。
これからは頂いた情報をもとに実験を交え、しっかり消化したいと思います。

回答No.2

ponpokona-

残念ながら私もスキル不足、勉強不足ですので、詳しいことはわかりません。

発電の仕組み自体でもノイズが発生しやすいのでしょうが、オルタネーターは交流発電機ながら回転子は電磁石なので、（乗用車クラスの普通品では）ブラシを用いていることも一因ではないかと思います。

エンジン内部では常に火花が散っていて、この放射のほぼ100%はエンジン筐体に吸収され、シャーシに回ります。また、電装品のノイズもあります。

ノイズというと、ノーマルモードノイズとコモンモードノイズがあると思うのですが、マイナス側をシャーシにとる通常の場合、GNDがないわけですから、コモンモードノイズが何のことだかわからなくなってたりしますｗ

さて、実際のノイズです。
以下は、パソコンのサウンドデバイスを簡単なオシロスコープに見立てて測定した、私の車の例です(2000rpm)。ノイズと呼べるようなものから、電圧変動のうねりまであります。
http://uploda.cc/img/img50ca7b0c0ce2e.png

これに、自作ノイズフィルターを噛ませた例です。細かいのはとれていますが、うねりは吸収できていません。
http://uploda.cc/img/img50ca7b4590721.png

ところが困ったことに、音を聴くと、ノイズフィルターを噛ませないほうが好ましく聴こえてしまうのが、不思議なところですｗ

また、車の電源系で最大のノイズフィルターはバッテリーです。
（危険なので慎重にやらないといけませんが、もしよろしければ）エンジンをかけた後、バッテリー端子を外して聴いてみて下さい。

なので、私は以下のようにしています（正解とは限りませんｗ）。

1、特にノイズフィルターはつけず、それぞれの機器内部のノイズフィルターにまかせる。

2、プラスもマイナスもバッ直にして、シャーシとは縁を切る。このままでは、ヘッドの取り付け部などからシャーシに大量に流れてしまうので、絶縁する。取付けもビスを使わずタイラップで締めつけるだけ。アンテナ線からもシャーシに流れるが、（バランなどで対策できるかもしれないが）まだ未対策なので、線を抜くだけにしているｗ

最も究極の対策は、バッテリーから配線まで含め、従来の系から完全に切り離された、カーオーディオ用の別の系を作ることです。ですが、なかなか大変ですし、バッテリー消費が気になります。
これにはしばらく悩みましたが、実際、カーオーディオだけ単独で使った場合と、他の電装品もONにしてエンジンをかけて走った場合とで、大きな違いが感じられないので、そこまで凝らなくてもいいかな？、と思います。

お礼

有難うございました。

実際に測定されたデータは、大変参考になりました。
ほんの少しづつですが、光が見えてきた気がします！

ノイズって物凄いことになってるんですね。。
頂いた測定データは、何処を測定したものか教えていただけませんでしょうか。
最近ポータブルタイプのオシロを購入したので（使い方は猛勉強中です＾＾；）、自分も測ってみようと思います。

誠に恐縮ですが、追加質問させていただいてもよろしいでしょうか。
頂いた返答を引用させて頂き、まだ理解できていない部分に関して質問させてください。
突っ込んだ質問になればなるほど、質問内容自体が破綻するかもしれませんが、これが今の私の精一杯ですのでどうかご容赦くださいm__m

●エンジン内部では常に火花が散っていて、この放射のほぼ100%はエンジン筐体に吸収され、シャーシに回ります。また、電装品のノイズもあります。

→オルタネータの放射ノイズって、ほぼシャーシに結合してしまうんですね。
それでバッテリーに戻りきらなかった分や、取れなかった脈流がノイズとなってしまってるって理解で合ってますでしょうか。
もしそうだとすれば、何かしらの手段で伝わってしまったノイズを吸収なり軽減できれば、オーディオ機器への影響も減りそうですね。

●これに、自作ノイズフィルターを噛ませた例です。細かいのはとれていますが、うねりは吸収できていません。

→自作のノイズフィルターは、オーディオ側の電源部に入れられたのでしょうか。
私もコンデンサだけですが、電源に入れてますが、内部抵抗の高い物ですと逆効果だったり、音に悪影響が出るようで、色々試した結果今のコンデンサに落ち着きました。
かなり高価な物になってしまいましたので、出来れば違う部分で改善できればと思いますし、やはりノイズの伝達自体を減らした方が結果が良いのではないかと思いますが、この点の理解は合ってますでしょうか。

●2、プラスもマイナスもバッ直にして、シャーシとは縁を切る。このままでは、ヘッドの取り付け部などからシャーシに大量に流れてしまうので、絶縁する。取付けもビスを使わずタイラップで締めつけるだけ。アンテナ線からもシャーシに流れるが、（バランなどで対策できるかもしれないが）まだ未対策なので、線を抜くだけにしているｗ

→実はアースをバッテリーに戻すことは、やったことがあります。
その時は逆にノイズが出てしまい、結局元に戻しました。
これも場当たり的な対処で、結果だけで判断し元に戻しただけなのですが、逆にノイズが出てしまった原因は何だったのでしょうか。

この辺りも車両のシャーシがノイズ源によりどんな影響を受け、どういった状態になってるのかわかれば、もう少し理解が出来ると思うのですが、WEBの何処を探しても参考になる（私が理解できる）物がなく、また根本から勉強するにも何を勉強してよいやらわからず、現状は手詰まり状態です。。

また、私も同じくコモンモードノイズが音として現れる仕組みもわかりませんので、ノイズ源に対する対策もわかっていない状態です。。

回答No.1

HAL2（@HALTWO）

Alternator は早い話しが Motor ですので永久磁石を回転して Coil に磁界の強弱を与える、つまり電磁波の強弱が発生するわけですから、強力な電波発生源となっています。

発電された電力が Battery を介して Car Audio 機器の電力として供給される経路は DC (直流) 変換されていますし、様々な Filter や Isolatior を介して供給されていますので、電源供給元からの Noise というものは皆無に等しいのですが、電力が伝送される Cable とその剥き出しの接続部は電波 Noise が飛び込む Antenna に等しいものですし、現在の Car Audio 機器は周波数特性が 1MHz を超えるほど高周波域まで増幅可能な IC Chip を用いていますので検波同調回路などがなくても直接 AM (Analog Modulation) Radio 電波を増幅できるほどの能力を持っています。

車の Engine をかける (Cell Motor を回す) と AM Radio に Noise が発生するのは AM Radio の周波数帯域に強力な電波障害が発生するからであり、同じく Analog 増幅を行なっている Audio Amplifier も AM Radio 放送帯域まで増幅可能な IC Chip を用いているとこれらの電波 Noise を増幅してしまい、その際に生じた歪のうち Aliasing Distorsion (折り返し歪) や Inter Modulated Distortion (混変調歪) といった低周波側にも影響を及ぼす歪が可聴帯域の不快な歪や Noise となって出現します。

IC Amplifier Chip で増幅してしまっては歪が発生してしまうことから IC Amplifier Chip の後でどうこうしようと後の祭りですので、IC Amplifier Chip で増幅する前にこうした高周波 Noise を除去するのが基本です。

一般的には数百 pF (Pico Farad) の Condenser を入力に咬ませる LPF (Low Pass Filter) を加えるものですが、一般的というのは比較的電波 Noise の少ない状況での話ですので、車輌のような強力な電波 Noise 発生源での対策は 6dB/oct の LPF でしかない Condenser 1 個では足りないかも知れませんね。

12dB/oct にするには Condenser と Resister による 2 素子 CR LPF に、24dB/oct にするには各々 2 個ずつの 4 素子 CR LPF にして行くわけですが、CR 素子を多段化すると音質が劣化しますので、どの程度の減衰率にするかの兼ね合いは耳で判断するしかありません。

ちなみに CD Player 黎明期の頃は 20kHz 以上を 44kHz までの 1 Octave で 60dB 以上減衰させなければならないことから 10 素子以上の CR LPF を用いなければならず、音質の劣化を避けるための良質な CR LPF 開発が Maker の悩みの種となっていました。

この CR LPF の段数を減らして開発 Cost を大幅に低減させる技術が Over Sampling 技法だったわけです。・・・4 倍 Over Samping ならば 60dB 減衰させるまでに 3 Octave の幅が得られますので 24dB/oct の 4 素子 LPF でも 3 Octave 上では 24dB ×3 ＝72dB 減衰できるというわけです。

この考え方を応用して「どうせ Car Audio では 20kHz 以上なんて再生できっこないのだから Line 入力経路に 680pF の Condenser を咬ませて 23kHz 以上を 6dB/oct で減衰させる」というのも手かも知れませんね。(Line 経路の R は 10kΩ としています)

ただし、この手法は Audio Center と Power Amplifier (Powered Speaker) とが別々になっていて、Line 伝送経路が外部に剥き出しになっている場合での話であり、一体型の Car Audio 機器ではとにかくありとあらゆる Analog 信号 (電源も含む) 伝送 Cable とその接続部の徹底的な Shield 対策しか手はありません。

CR 型 Filter の計算 Tool は

http://sim.okawa-denshi.jp/CRlowkeisan.htm

にありますので、いろいろ検討してみてください。

素敵な Audio Life を(^_^)/

お礼

有難うございました。

今まであやふやだった部分や自信がなかった部分のモヤモヤが晴れましたし、知らなかったことも多々あり非常に勉強になりました。

まだ消化できてるレベルには至っていませんので、これから一生懸命消化したいと思います。

誠に恐縮ですが、追加質問させていただいてもよろしいでしょうか。
頂いた返答を引用させて頂き、まだ理解できていない部分に関して質問させてください。
突っ込んだ質問になればなるほど、質問内容自体が破綻するかもしれませんが、これが今の私の精一杯ですのでどうかご容赦くださいm__m

●発電された電力が Battery を介して Car Audio 機器の電力として供給される経路は DC (直流) 変換されていますし、様々な Filter や Isolatior を介して供給されていますので、電源供給元からの Noise というものは皆無に等しい。

→オルタネータのマイナス側はグランド接地ですので、発電した電力のほとんどはバッテリーによりある程度平滑化されていると思いますが、機器のグランドをボディーをして利用しているカーオーディオの場合、オルタネータがグランドに及ぼす影響で伝導ノイズが機器へ回りこむ可能性はありますか？

●電力が伝送される Cable とその剥き出しの接続部は電波 Noise が飛び込む Antenna に等しいものですし、現在の Car Audio 機器は周波数特性が 1MHz を超えるほど高周波域まで増幅可能な IC Chip を用いていますので検波同調回路などがなくても直接 AM (Analog Modulation) Radio 電波を増幅できるほどの能力を持っています。

→この時ノイズはコモンモードだと思いますが、例えばラインケーブルに結合した場合、ホット、コールドにそれぞれ結合したノイズが機器を通り、アースからグランドを経てバッテリーに帰ると言った感じで大丈夫でしょうか。
また、結合したのが電源ケーブルの場合は、プラス側はバッテリープラスですが、マイナス側はグランド接地ですし、電源から入ったノイズが音になる仕組みが理解できてません。

●IC Amplifier Chip で増幅してしまっては歪が発生してしまうことから IC Amplifier Chip の後でどうこうしようと後の祭りですので、IC Amplifier Chip で増幅する前にこうした高周波 Noise を除去するのが基本です。

→オーディオ機器側ではなく、ノイズ発生源である車両機器側への対策をメインで考えることは、実現可能でしょうか。
例えば意識的に車両の一部をシールドとして機能させられたり、電波がケーブルに結合する前にオーディオ機器に影響がない場所へ帰るようなアンテナを設置したり、勿論フィルター類も設置できる部分は設置し、出来る限りオーディオ機器側で対策しなくても良いような対策は可能でしょうか。

EMCに関する記事などで、コモンモード、ノーマルモードの基本的な説明はありますが、それが車両に結び付けられないのが現状です。
これが結び付けられれば、もう少し自分でも見える部分も出てくるんでしょうか。

色々と書いてしまいましたが、もう少しお付き合い頂ければ幸いです。
よろしくお願いいたします。