音楽理論 ギターのトーン回路の仕組み

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概要

　ギターのトーン回路の仕組みについて解説します。

　ギターのトーン回路は意外と単純です。ピックアップから出力へ向かう信号経路から枝分かれして、可変抵抗と0.022μFや0.047μFなどのキャパシタを通り、GNDへつながる経路があります。配線方法にはいくつかの種類がありますが、基本的にはこれによって高周波成分がGNDに落ちるような働きをします。

AIによる作図

　トーンを効かせると高い周波数成分が減ります。たとえば元の音程がラ（A）なら440Hzを基音として、その上に含まれている高い倍音やアタック成分などが減り、複雑な波形が少し滑らかになります。

　波形の中で速く変化している成分には、高い周波数成分が多く含まれています。ピックで弦を弾いたときの「ジャッ」というアタックに含まれる高域や、弦独特の「ギラッ」とした成分などが減るため、音が丸くなったように感じます。極端に言えば、複雑な波形が基音だけのサイン波に少し近づいていく方向の変化と考えるとイメージしやすいです。

　そのため、トーンを効かせると少しボリュームまで小さくなったように感じることがあります。しかし、ボリュームのようにすべての周波数成分を同じ割合で小さくしているわけではありません。主に高い周波数成分が減ることによって、音の鋭さや存在感が弱くなり、結果として少し小さくなったように感じるわけです。

なぜキャパシタは高周波成分をGND側へ流すのか

　では、なぜキャパシタを取り付けただけで、高い周波数成分ほどGND側へ流れやすくなるのでしょうか。

　キャパシタはスーパーキャパシタのような非常に大容量のものになると、充電池に少し似た蓄電用途にも使われます。しかし、ギターのトーン回路で使う0.022μFや0.047μF程度のキャパシタでは、蓄えられるエネルギーは非常に小さなものです。とはいえ基本的な原理は同じで、キャパシタには電荷を蓄えたり放出したりする性質があります。

　キャパシタには2つの電極があり、その間は誘電体によって隔てられています。電圧が加わると、一方の電極表面には電子がわずかに余り、もう一方では電子がわずかに不足するような電荷の偏りが生じます。

　交流信号では電圧が絶えず変化しています。そのためキャパシタ両端の電圧が変化すると、電極表面の電荷の偏りも変化します。その変化に伴って外部回路では電荷が出入りするため、電流が流れます。

　そして重要なのが、電圧の変化が速いほど、その電流が大きくなるという性質です。

\[ i=C\frac{dV}{dt} \]

　\(i\) はキャパシタに流れる電流、\(C\) はキャパシタの容量、\(dV/dt\) は時間に対して電圧がどれくらい速く変化しているかを表します。

　同じ程度の電圧振幅で比較すれば、周波数が高い信号ほど電圧が短時間で激しく変化します。そのため、高周波成分ほどキャパシタ側に大きな交流電流が流れやすくなります。

　ものすごく乱暴にイメージで表現するなら、

　「電圧の変化の速い奴が来たぞ！これに対処するべく枝から高周波成分の電流をいただくぜ！」

　という感じです。

　もちろん、キャパシタ自身が「これは440Hz」「これは5kHz」などと周波数を判断して振り分けているわけではありません。単純に、

\[ i=C\frac{dV}{dt} \]

　という性質に従っているだけです。その結果として、電圧変化の速い高周波成分ほどキャパシタ側へ大きな交流電流が流れやすくなるわけです。

　別の表し方をすると、キャパシタの交流に対する通りにくさを「容量リアクタンス」といい、

\[ X_C=\frac{1}{2\pi fC} \]

　で表せます。

　\(f\) は周波数、\(C\) は容量です。この式からも、周波数が高くなるほど \(X_C\) は小さくなり、キャパシタ側へ電流が流れやすくなることが分かります。

トーンノブは何をしているのか

　トーン回路では、このキャパシタへ向かう経路に可変抵抗があります。トーンを効かせる方向へ回して抵抗を小さくすると、キャパシタがGNDへつながる経路を高周波成分が利用しやすくなり、出力に残る高域が少なくなります。

　反対に抵抗を大きくすると、キャパシタへ向かう経路に電流が流れにくくなるため、トーン回路の影響が小さくなり、高域が多く残ります。

　ボリュームも可変抵抗を使っていますが、働き方は異なります。ボリュームは基本的に分圧器として働き、取り出し位置を変えることによって出力電圧を調整しています。

　つまり、トーンの「キャパシタへ向かう経路の抵抗を変えて高域の減り方を調整する」という動作とは違います。

　一般的なギターではノブを時計回りに回すと、ボリュームなら音量が大きくなり、トーンなら高域が多く残る方向になるように配線されています。これは可変抵抗そのものに「時計回りならこう働く」という性質があるわけではなく、操作しやすいようにそのように配線しているためです。きちんと回路を組んでいれば……ですが。

高価なキャパシタや高耐圧キャパシタは必要なのか

　管理人のギターにはVitamin Q系（オイル／ペーパー系）やOrange Drop系など、複数のキャパシタを取り付け、スイッチで切り替えられるようにしています。

　ただし現在使用できる2個については、切り替えても管理人には明確な音の違いを感じられません。取り付けてからかなり時間が経過しており、キャパシタの容量についての記憶も曖昧になっているため、次にキャビティを開けたときに表記と実際の容量を測定して追記する予定です。

　必要な耐圧が確保されている限り、耐圧値そのものはトーン回路の周波数特性を決める値ではありません。 たとえば数百Vに耐えられる大型のキャパシタを使ったからといって、その高い耐圧そのものによってギターのトーン特性が良くなるわけではありません。

　ギターで扱う信号電圧は、数百Vもの高耐圧を必要とするようなものではありません。私の場合は、アンプなどでよく見かけるVitamin Q系（オイル／ペーパー系）やOrange Drop系への憧れで取り付けているようなものです。

　もちろん、キャパシタは種類が違えば誘電体、容量誤差、損失、温度特性などまで完全に同じというわけではありません。しかし、少なくとも「高耐圧だからギターの音が良くなる」という理由だけで選ぶ必要はなく、適切な容量と十分な耐圧を持った普通の小型キャパシタでも良かったんじゃないか、と今では思っています。ギターを買ったときにも安価なキャパシタが付いていましたので、それで十分だったのですね。

　どうせ交換するのであれば、キャパシタの種類や耐圧よりも、まず容量そのものを変えてみる方が分かりやすい変化を得られます。

　ギターでは、ハムバッカーには0.022μF、シングルコイルには0.047μFという組み合わせもよく見られます。ハムバッカーは比較的高域が穏やかなものが多いため、容量を小さくして、トーンを絞ったときにも高域を残しやすくする考え方です。

　ただし、これは決まりではありません。ピックアップの特性、ボリュームやトーンの抵抗値、回路構成、そして何より好みによって自由に選べます。

　今考えると、同じような容量の高価なキャパシタを切り替えることにこだわるより、0.022μF、0.047μF、さらに別の容量というように、容量の異なるキャパシタを簡単に切り替えて試せる仕組みにしておいた方が面白かったと思います。

　次にキャビティを開けたときには、現在使っているキャパシタの種類と容量を確認し、実際の容量も測定してみたいと思います。また、現在は場所を取るギボシ端子を多用しているので、もっと小さなピンやコネクタへ変更し、キャパシタ自体もハンダ付けをせず簡単に取り外して交換できるようにしてみたいと思っています。

　そうすれば、容量の違うキャパシタを次々と差し替えて、実際にどれくらい音が変わるのかを自分の耳で確かめることができます。今度改造するなら、そちらの方がずっと面白そうです。

AIによる文章まとめ作図

　

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