教育

音の科学

音響測定の物理学と数学の理解

10分で読める

2024年12月

音は私たちを取り巻く魅力的な物理現象です。音波、その測定、対数デシベルスケールの背後にある科学を理解することで、特定の音が私たちに異なって影響する理由と、環境の騒音を効果的に測定・管理する方法を理解できます。

音とは何ですか？

物理的定義

音は媒体（空気、水、固体材料）内の粒子の振動から生じる機械波です。これらの振動は、媒体を伝播する圧縮と希薄化の交互領域を作り出します。

空气中速度： 20°Cで約343 m/s

水中速度： 約1,480 m/s

钢中速度： 約5,960 m/s

频率范围： 20 Hz - 20,000 Hz（人間の聴覚）

波の性質

音波は、それらを知覚する方法を決定するいくつかの重要な性質を持っています：

音量を決定（dBで測定）
音の高さを決定（Hzで測定）
波の山間の距離
波サイクル内の位置
倍音によって決定される音質

デシベルスケールの理解

なぜ対数的？

人間の耳は、聴覚の閾値から物理的な痛みを引き起こす音まで、約1兆対1の比率という膨大な範囲の音の強度を検出できます。このような広大な範囲では線形スケールは実用的でないため、対数デシベルスケールを使用します。

デシベル公式

dB = 10 × log₁₀(I/I₀)

ここで、Iは音の強度、I₀は基準強度（10⁻¹² W/m²）

重要な性質

• +10 dB = 10倍の強度、2倍の知覚音量
• +3 dB = 2倍の強度、かろうじて気づく
• -10 dB = 1/10の強度、半分の音量
• 0 dB = 聴覚の閾値（無音ではない）

音圧レベル

• SPL = 20 × log₁₀(p/p₀)
• p₀ = 20 μPa（基準圧力）
• 測定により実用的
• 音量計が実際に測定するもの

周波数重み付け

人間の聴覚はすべての周波数に等しく応答しません。1,000-5,000 Hzの間、つまり人間の音声の範囲の音に最も敏感です。これを考慮するため、音量計は周波数重み付け曲線を使用します。

A特性

適度なレベルでの人間の耳の応答を模倣。環境および職業測定で最も一般的。低周波数の強調を減らします。

C特性

高レベル音に対するより平坦な応答。ピーク測定と娯楽施設で使用。低音が重い音により良い。

Z特性

周波数重み付けなし（平坦）。詳細な音響分析に使用。真の物理的音圧を示します。

デジタル音量計の動作原理

信号処理チェーン

1. マイクロフォン変換：音圧変動を電気信号（電圧変化）に変換
2. アナログ-デジタル変換：信号を毎秒数千回サンプリング（通常44,100 Hzまたは48,000 Hz）
3. デジタル信号処理：周波数重み付けを適用し、RMS値を計算し、時間平均を実行
4. 校正・スケーリング：マイクロフォン感度に基づいてデジタル値を校正済みdB読み値に変換
5. 表示・統計：リアルタイム値を表示し、測定期間中の最小/最大/平均を計算

時間重み付け

快速(F)： Fast（F）：125ms時定数
慢速(S)： Slow（S）：1秒時定数
脉冲(I)： Impulse（I）：35ms上昇、1.5s減衰
峰值： Peak：時間重み付けなし

測定指標

Leq： Leq：等価連続レベル
Lmax： Lmax：記録された最大レベル
Lmin： Lmin：記録された最小レベル
L90： L90：時間の90%で超過したレベル

重要な音響現象

反射と吸収

音波は硬い表面で跳ね返り、柔らかい材料に吸収されます。これは室内音響と測定精度に影響します。

• 硬い表面：95%反射
• カーペット：20-30%吸収
• 音響フォーム：80-90%吸収

干渉パターン

複数の音波が相互作用すると、相互に強化または打ち消し合い、複雑なパターンを作り出します。

• 建設的：波が加算される
• 破壊的：波が打ち消し合う
• 部屋の定在波

ドップラー効果

移動する音源は、音波の圧縮または伸張により周波数が変化して聞こえます。

• 接近：より高い周波数
• 遠ざかる：より低い周波数
• 典型的な救急車サイレン効果

音の科学の応用

実世界での応用

建築音響

意図された用途に最適な音響特性を持つ空間の設計。

• コンサートホール：制御された残響
• 録音スタジオ：音響遮断
• オフィス：音声プライバシーと明瞭性
• 教室：了解度の最適化

騒音制御工学

科学原理と工学を通じて不要な音を減らす。

• 音源低減：より静かな機器
• 経路遮断：バリアと囲い
• 受音体保護：PPEと遮断
• 能動騒音制御：位相打ち消し