ハイレゾは何が違うのか｜標本化定理と可聴域を分けて整理する

ハイレゾ音源（CDの44.1kHz/16bitを超える形式）で理論上変わるのは2点ある。記録できる周波数の上限が上がること（96kHzなら48kHzまで）と、24bit化で理論上のダイナミックレンジが約96dBから約144dBへ広がることだ。変わらないのは耳の側で、可聴域はおおむね20kHzまでなので、超音波帯域そのものを音として聴くことは原則としてできない。差として残りうるのは変換フィルターの設計の余裕と小音量部の分解能で、それも再生経路の全段がハイレゾのまま通るときに限られる。（参照：一般社団法人日本オーディオ協会（JAS）公式）

ハイレゾ音源の基本規格とCDとの数値的相違

一般社団法人日本オーディオ協会（JAS）および電子情報技術産業協会（JEITA）の定義によると、ハイレゾオーディオは「サンプリング周波数または量子化ビット数のいずれかがCDスペック（44.1kHz/16bit）を超えているもの」と規定されている。一般的な規格ごとの数値差は下表の通りである。

デジタル音響データは、「時間軸の細かさ」を決定するサンプリング周波数と、「振幅軸の細かさ」を決定する量子化ビット数の2軸で構成される。この2つは全く異なる物理量を扱っているため、個別にその働きを捉える必要がある。

標本化定理が示す周波数帯域の数学的境界

サンプリング周波数と再現可能な周波数帯域の関係は、ナイキスト・シャノンの標本化定理によって数学的に証明されている。連続的なアナログ信号をサンプリング周波数 fs で標本化した場合、完全に元の波形へ復元できる最高周波数（ナイキスト周波数）は fs / 2 となる。

音楽CDのサンプリング周波数が44.1kHzに設計されたのは、人間の可聴域上限とされる20kHzをわずかに超える周波数（22.05kHz）までを記録可能にするためである。これに対し、96kHzサンプリングでは48kHzまで、192kHzサンプリングでは96kHzまでの周波数成分を折り返し歪み（エイリアシング）なくデジタルデータとして保持できる。

人間の可聴域と高周波成分の知覚に関する物理的限界

健康な若年層における人間の耳の可聴周波数帯域は、おおむね20Hz〜20,000Hz（20kHz）である。加齢に伴う有毛細胞の経年変化により、成人の高域可聴限界は15kHz〜17kHz程度まで漸減することが生理学的に確認されている。

したがって、40kHzや80kHzといった超音波帯域の単一正弦波を鳴らしても、人間の鼓膜および内耳の蝸牛器官がそれを直接音として認識することは原則として困難である。ハイレゾ批判の多くは「聴こえない周波数を記録しても無意味である」という点に立脚しているが、デジタル音響工学におけるハイレゾの真の恩恵は、単なる超音波の記録にとどまらない。

フィルター設計の余裕度と時間軸上の過渡応答

サンプリング周波数を引き上げる最大の工学的メリットの一つは、D/A変換時（およびA/D変換時）のローパスフィルター（アンチエイリアシング / リコンストラクションフィルター）の設計自由度にある。

CD規格（44.1kHz）では、可聴域の20kHzを通しつつ、折り返し成分が発生する22.05kHzまでに信号を完全に遮断しなければならない。このわずか2.05kHzという狭い遷移帯域で急峻に減衰させるため、極めて急勾配な「ブリックウォールフィルター」が必要となる。こうした急峻なアナログ/デジタルフィルターは、インパルス応答における前後リンギング（波形の揺らぎ）や位相の乱れを引き起こし、音像の定位感や過渡特性を劣化させる要因となる。

一方、96kHzや192kHzサンプリングであれば、遮断を開始する周波数から折り返し限界までの遷移領域を広く確保できるため、傾斜の緩やかな低次フィルターを採用できる。これにより、時間軸上のリンギングが抑えられ、可聴帯域内における位相特性が大幅に改善される。

24bit化がもたらす極小音量部の忠実度とダイナミックレンジ

サンプリング周波数以上に聴感上の恩恵が大きい要素として挙げられるのが、16bitから24bitへの拡張である。量子化ビット数は振幅の分解能を表し、1ビット増えるごとに理論的なダイナミックレンジは約6.02dB拡大する。

16bitが65,536段階の階調表現であるのに対し、24bitは16,777,216段階と、実に256倍の精度を誇る。これにより理論上のダイナミックレンジは96dBから144dBへと飛躍的に拡大する。144dBという値は、静寂な防音室のノイズフロアからジェットエンジンの轟音までを歪みなく収めるスケールであり、実用上は量子化ノイズが実質的に完全な不可聴域へと追いやられることを意味する。微小な残響音や楽器の消え入り際のディテールが損なわれない点は、24bit音源の決定的なアドバンテージである。

再生経路のどこかが44.1kHz/16bitなら差は届かない

ハイレゾの情報量は、再生経路のいちばん狭いところで決まる。音源が96kHz/24bitでも、配信アプリの音質設定、パソコンやスマートフォンの出力設定、DAC、ワイヤレスの伝送方式のどこか一か所で44.1kHz/16bitに変換されれば、耳に届くのはCDと同じ帯域とビット深度である。上の表の記録上限周波数とダイナミックレンジの差は、経路の全段がそのままの形式で通ったときにしか意味を持たない。サブスクのどこで差が出るかは音楽サブスクのロスレス対応と、実際に差が出る条件で扱った。

聴く側の条件でも差は消える。高域の可聴限界が15kHz〜17kHz程度まで下がっているなら、22.05kHzより上を記録できるかどうかは直接には聴き分けられない。小音量部の分解能の差も、部屋の暗騒音や再生機器自体のノイズのほうが大きければその下に埋もれる。

減衰の長い盤で差を探す

24bitの差を自分の耳で確かめるなら、音が消えていく部分の長い盤を小音量で聴くのが近道である。キース・ジャレット『The Köln Concert』は1975年1月24日にケルンのオペラハウスで録られたピアノ独奏の実況盤で、音の立ち上がりより減衰を追う聴き方に向く。同じECMの録音を録音技師と録音年で並べたECMレーベルの名盤5選も、聴き比べる盤を選ぶ手がかりになる。

原典対応表

規格定義と理論の参照資料は次のとおり。

再生環境におけるハードウェアの選定と音質変化については、DACとヘッドホンアンプの必要性にて詳細に解説している。また、デジタル再生における音圧とダイナミックレンジの管理は各種サブスクのラウドネスノーマライゼーション仕様、アンプとスピーカーの制動力の関係は出力インピーダンスとダンピングファクターを参照されたい。