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音の性質と騒音計測

音の性質と騒音計測

環境意識の向上につれて、騒音や音そのものの心理効果などへの関心が高まっています。
音とは、空気の粗密によって伝搬する波動であることは誰もが知っています。今回は、音はどのように測定し、どのように評価されるのかの話しです。
音は、マイクロホンによって電気信号に変換し、電気信号として測定します。
したがって、まず初めは、音と電気信号との関係です。


音の要素には、「音の高さ」、「音の大きさ」、「音色」がありますが、それらは電気信号で各々は、「周波数」、「振幅」、「波形(スペクトル分布)」に相当します(表1)。
そして、人間の耳に聞こえる音の周波数範囲は数十Hzから十数kHzの範囲です 。

表1:音と電気量の関係


振幅は音から電気へ変換するときの変換効率によって電気信号の振幅が変わるため、電圧などの電気量で表すことができず、空気の圧力変化の大きさとして測定します。
具体的には、音圧レベル(Sound Pressure Level:SPL) が多く用いられます。
SPLは、人間に聞こえる最小の音圧を基準(0dB)としてデシベルで表現します。
この場合の最小の音圧は、圧力振幅の実効値で20μP(マイクロパスカル)です。

人間の耳は、小さな音から大きな音まで聞き分ける能力があり、そのダイナミックレンジは約120dB(1,000,000倍)に及びます。(図1)
なお、以前は音圧の単位として「ホン」が使われていましたが、ホンはSI単位から除外されたため、今は使用できません。ただし、ホンと(SPLの)dBは単位の呼び名が違うだけで、値は同じです。

図1:SPLと身の回りの音量

音圧レベルと良く似た表現として「音の強さのレベル(Sound intensity level : IL) と「音響パワーレベル(Sound power level : PWL)」があります。
ILとPWLは共に音のエネルギーを基に定義された尺度です。ILは単位面積を通過する平面波のエネルギーで定義され、単位はW/m^2です。SPLとILは、結果的に値が良く似ていて、20℃の空気中では同じ値、他の温度でも常温での両者の差は1dB以内ですので、間違えないよう注意が必要です。一方のPWLは音源が発するパワーそのものを表し、単位はW (ワット)です。PWLは、スピーカの測定などで用いられます。
音色は信号のスペクトルの分布(波形)で決まります。例えば、単一スペクトル(一つの周波数成分しか持たない信号)の音は、音叉の音のように聞こえ、一つの音に含まれる周波数成分が増えるに従って音に濁りが生じます。そしてスペクトル分布の違いが音色や声の違いとして認識されます。ちなみに、広い範囲で均一なスペクトルを持つ信号は、シャーというノイズの音に聞こえます。
音の測定で一番多いのは、SPLなど、音の大きさに関する測定です。
この場合、もっとも重要なのは、絶対値の校正です。騒音など、測定量の多くは商取引や法的な制裁などに直接的に影響するからです。
このため、騒音計など音の大きさの絶対値を測る測定器については、JIS,IECなどによって厳密な規格や法律(JIS C 1509 サウンドレベルメータ、計量法特定計量器検定検査規則など)が定められており、法律に基づく認定が必要な測定器のひとつとなっています。
騒音計の一例を図2に示します。

図2:騒音計の例(小野測器)

騒音計はマイクロホンとフィルタ、検波回路、表示回路等で構成されます。
騒音計という名前が付いていますが、不快な音を測るという意味はなく、音響計測の検出・表示のために広く用いられています。
中でも最も重要な役割を果たすのはマイクロホンですが、最近のものは殆どがコンデンサ型のマイクロホンになっています。

図3:騒音計の内部構成

また、図3で、プリアンプのすぐ後にあるフィルタは、指示が人間の感覚に近くなるように周波数特性を調節するためのフィルタです。このフィルタについてもJIS等で特性が詳しく定められています(図4)

図4:フィルタの周波数特性(黄色がJIS Aカーブ 緑はJIS Cカーブ)

この内、JIS(IEC)でA特性と定められたフィルタを使用した時の値を、快・不快に係わらず「騒音レベル」と呼びます。
英語圏では(A-weighted sound pressure level:A特性で重み付けされた音圧レベル)と表記され、"騒"音という意味合いはありません。


音に対する人間の感覚(聴感)は、極めてダイナミックレンジが広いことを先に述べましたが、聴感は、他にも大きな音と同時に聞こえる小さな音は聞こえにくい(マスキング効果)ことなど、複雑な特性を持っています。
また、騒音などは、持続時間や周波数によっても不快感が異なります。このため、騒音の測定にはラウドネスやシャープネスなど、様々な評価基準が設けられています。


音の測定は、音圧測定だけではありません。代表的なのは周波数解析です。周波数解析用の測定器としてはFFTアナライザが便利です。
また、バンドパスフィルタ(特定の周波数の信号だけを通すフィルタ)を使ったオクターブバンド解析も従来から広く行われています。


近年における音響解析の新手法には、音源からの音の放射をベクトル的に捉える「音響インテンシティ」などが挙げられます。
また、音を直接的な物理量としてではなく、「ここちよい音」・「良い音」など、人間の感覚を物理量に置き換える研究も盛んです。

参考:小野測器社 技術資料

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