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防音の基礎知識

防音の基礎知識

防音の基礎知識では、音の基本的な解説から、吸音・遮音・防振材料、室内音場、音響測定方法などを全7回にわたって解説します。第1回となる今回は、音が聞こえる仕組みや、音の性質を決める音の3要素、防音の3つのタイプなどを学んでいきましょう。

第1回:音とは?防音とは?

著者:日本板硝子環境アメニティ株式会社 開発技術部 課長(一般社団法人日本音響材料協会 音響基礎講習会 第1講 講師) 岡本 健久

1. 音とは

私たちは、さまざまな音を耳で聞いています。音は、振動しているもの(音源、振動源)が、振動を伝えるもの(媒質:空気、水、金属など)を通じて、われわれの聴覚で認識されます。従って、振動するもの(音源、振動源)がない場合はもちろん、振動を伝えるもの(媒質)がない場合、音は聞こえません。例えば、振動を伝える空気がない真空では、音は伝わりません。

音の伝わり方は、縦波です。縦波とは、媒質が揺れる方向が、波の進行方向と同じ波です。音源が、周りにある空気を押します。押し出した空気は薄く(疎)なり、押された空気は濃く(密)なります。その圧力の変化が波となって伝わるのが、音波です(図1)。

図1:正弦音波

図1:正弦音波

2. 音の伝わり方

音の速度c(m/s)は、c=331.5+0.6tで表すことができます。音速cは、温度tによって変化します。この式より、音速は温度が低い時には遅く、温度が高い時には速くなることが分かります。なお、一般的に音速という場合、温度15℃の時の約340m/sを示しています。

また、空気中の音の伝わり方は、一様ではありません。伝わる距離が長いほど、音は小さくなります。空気の状態や音の周波数によっても変化します。周波数とは、音の高低を決める要素です。

空気による音の吸収には、3つの傾向があります。周波数が高い音(高音)ほど、空気による吸収が大きくなります。温度が高いほど吸収は大きく、湿度は高いほど吸収が小さくなります。ただし、……

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3. 音の基本現象

音の広がり方には、拡散、反射と屈折、回折という3つの特性があります。これらを詳しく解説します。

1:拡散

ある位置から発生した音は、周りの空気に振動を伝えながら広がっていく特性を持っています。また、音源の種類によって、音の広がり方が異なります。スピーカなどの点音源、道路交通騒音などの線音源、窓や壁全体が音源となる面音源の3つの場合を見てみましょう(図3)。点音源は、音が球状に広がるのに対し、線音源は、円筒状に広がります。面音源は、面の面積以上にはあまり広がらず、音が直進する特性があります。音源の種類によって、距離による音の減衰量も異なります。

図3:音源タイプによる音の拡散模式図

図3:音源タイプによる音の拡散模式図

2:反射と屈折

音には、光と同じように反射と屈折の現象があります(図4)。反射とは、音が地面や壁などの面に当たり、跳ね返る現象です。屈折とは、2つの媒質の境目で、音の進行方向が変化(屈折)することです。

図4:音の反射・屈折角

図4:音の反射・屈折角

図4にあるように、入射角をθ1、反射角をθ2とすると、音の反射は入射角θ1=反射角θ2と表すことができます。媒質中の音速(媒質1の音速:c1、媒質2の音速:ct)によって変化する音の屈折は、屈折角をθtとすると、sinθ1/ sinθt=c1/ctと表すことができます。

3:回折

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4. 音の3要素

音の性質を決める最も基本的な要素を、音の3要素といいます。音の3要素とは、音の大きさ、音の高さ、音色(ねいろ)です。

1:音の大きさ

音のレベルを表す場合、音圧レベル(Lp)と騒音レベル(LA)という2つのレベルで表します。単位は、ともにdBです。音圧レベル(Lp)とは、音の大きさの物理的なレベルです。対して騒音レベル(LA)とは、人間が感じる音の大きさ(ラウドネス)を表したものです。2つの音のレベルは、何が違うのでしょうか?

人間が聞きとれる音の周波数(音の高低)範囲は、20~20,000Hzです。また、人間が感じる音の大きさは、音圧レベルだけでなく、周波数によって変わります。それを数値で示したのが、等ラウドネス曲線(図6)です。この曲線は、1kHz(図6の青線)を基準として、人間がその音と同じ大きさに聞こえる音圧レベルをプロットしています。つまり平均的な聴力の人間が、ある音圧レベル(Lp)、ある周波数の音を耳にした時、どの程度の大きさの音に聞こえるのかを示しています。物理的な音圧レベル・周波数の数値を、人が聞こえる音の大きさに置き換える際の目安として用いられます。なお曲線には、人間が感じる音の大きさを表す単位phoneが使われています。

図6:等ラウドネス曲線

図6:等ラウドネス曲線(引用:ISO 226:2003 Normal equal-loudness-level contours)

一例として、図6の40phoneの曲線(赤線)を見てください。周波数1kHzでは、音圧レベル40dBの音は、体感でも同じ大きさ(40phone)に聞こえます。しかし周波数31.5Hzの低音の場合、90dBに近い音圧レベルでないと、40phoneの大きさには聞こえません。音圧レベルの低い低音は、人間には聞き取りにくいことが分かります。

人間の聴感の特長は、2~4kHzの音の感度が良い(小さな音でも聞こえる)ことです。従って、家電製品のブザーなどの警告音に使われます。聴覚の感度が劣化しやすい帯域なので、聴覚検査にも使われます。そして低い周波数になればなるほど、大きな音圧レベルにならないと聞こえません。なお低音域では、等ラウドネス曲線が詰まっています。これは少しの音圧レベルの上昇で、人間が感じる音の大きさが大きく変わることを示しています。

音圧レベルと騒音レベルの話に戻りましょう。音の物理的な大きさを表す音圧レベルに、A特性の聴感補正を行った数値が、騒音レベルとなります。A特性とは、周波数の違いによる音の聞こえやすさ・聞こえにくさを考慮した重み付け特性のことで、等ラウドネス曲線の40phoneの曲線(図6の赤線)を基に、JIS規格で決められています。一般的に「音の大きさ」といった場合、音圧レベルではなく、人間の感覚に合わせた騒音レベルでの数値、すなわち人間の音の強さに関する聴感上の感覚量を指しています。一般的な聴力の人が聞くことのできる音圧レベルの範囲は、0~140dBです。表1に、代表的なレベルの音と、人間の感じ方の例を示します。

表1:騒音レベルと代表的な音
騒音レベル
(dB)
代表的な音 人間の感じ方
140 耳が壊れそう
130 ジェット機の離陸音 耳が痛くなる
120 リベット打ち
110 自動車の警笛 叫び声(30cm)
100 電車のガード下 非常にやかましい
90 地下鉄の車内 怒鳴り声
80 交通量の多い道路 電話が聞こえない
70 大声で会話
60 TV、ラジオの音 普通の会話
50 一般的な事務室
40 静かな事務室 静か、夜は睡眠が妨げられる
30 夜の郊外の住宅地 非常に静か
20 木の葉のそよぎ ささやき声

2:音の高さ

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5. 防音とは

建物内や部屋内にいる人間が感じる騒音を軽減・シャットアウトすることを、防音といいます。しかし一言に防音といっても、吸音・遮音・防振など、複数の要素が含まれています。

吸音とは、その部屋で発生した音の反射を小さくするように、天井や壁に吸音材を設置し、室内の響きの低減・反射の抑制・室内騒音レベルを低減させることです。なお吸音材は室内の音を吸収しますが、室内の音を外に漏れないようにする遮音性はあまりありません。遮音とは、音を遮ることです。壁、ドアなどから入る外部からの音を遮断したり、内部の音が外へ漏れないようにします(図7)。

図7:吸音(右)と遮音(左)

図7:吸音(右)と遮音(左)

防振とは、振動する機械や空調機などの振動体から、建物へ振動が伝わることを防ぐことです。騒音は、振動している機械から発生するだけではありません。振動体から床・壁・天井に振動が伝わり、……

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第2回:吸音の仕組みと吸音材料

著者:日本板硝子環境アメニティ株式会社 東京事業部建築エンジ設計部 建音CS設計グループ 課長(一般社団法人日本音響材料協会 音響基礎講習会 第2講 講師) 齋藤 秀和

前回は、音が聞こえる仕組みや、音の性質を決める3要素などを解説しました。今回は、防音の要素の一つである吸音の仕組みと、さまざまな吸音材料の特性を紹介します。

1. 吸音とは

吸音とは、吸音材が音を吸収して、音の反響を小さくすることです。吸音対策とは、その部屋内で発生した音の反射を小さくするために、天井や壁に吸音材を設置し、室内の響きの低減・反射の抑制・室内騒音レベルを低減させることです。どのような場合に、吸音対策が必要となるのでしょうか?

吸音対策は、主にホールや音楽スタジオ、映画館や試写室、音楽室、練習室など、音を楽しむことに特化した場所に、音の不必要な反響を抑えるために施されます。なお、部屋の外に音が漏れないようにする遮音効果はありません。遮音や防振対策と違い、一般的な住宅には基本的に必要ありません。しかし……

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2. 吸音の仕組み

吸音対策は、吸音材料に音が入射した時に、その音の反射の度合いが相対的に小さくなるようにすることです。具体的には、吸音材料内において音のエネルギーを熱エネルギー(摩擦熱)に変えて吸収したり、背面に逃しています(図1)。

図1:吸音の仕組み

図1:吸音の仕組み

音のエネルギーEiが材料に入射したとき、その一部は反射されるエネルギーErとなります。また、その一部は内部で熱となって吸収されるエネルギーEaとなり、残りが背面に抜けていくエネルギーEtとなります。このとき、……

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3. 吸音材料の種類と特徴

吸音材料はその吸音機構(吸音の原理)から、多孔質材料、板(膜)状材料、有孔板の3種類に分類されます。外観上の特徴が吸音機構にも関係しており、それによって吸音の周波数特性も異なっています。

1:多孔質材料

多孔質材料とは、材料中に多数の空隙や連続した気泡がある材料です。これに音が当たると、材料中の空気が振動する際に抵抗が働き、音のエネルギーが繊維間の摩擦によって熱エネルギーに変換され、吸音効果が生じます。具体的な材料は、グラスウール、ロックウール(岩綿吸音板)、木毛(もくもう)セメント板、ウレタンフォームなどです。

なおグラスウールは、ガラス繊維を綿状に加工したもので、吸音材の他に断熱材、防火性を高める不燃材料としても使用されます。ロックウールは、人造の鉱物繊維です。これを板状に加工したものが、岩綿(がんめん)吸音板です。木毛セメント板は、木材を薄いひも状に削ったものをセメントペーストで圧縮成型したものです。

多孔質材料の吸音周波数特性は、中・高音域の音に対して吸音性能が高い特徴があります(図2)。低音域側の吸音率を高めるには、材料を厚くする、もしくは密度を高めるか、背後に空気層を設けます。図2のグラフから、背面の空気層を大きくする(濃青線)と、小さい場合(薄青線)にくらべ、低音域の吸収率が高くなる半面、ある一定の音域以上になると、逆に吸音率が低下することが読み取れます。また多孔質材料の厚さ・密度の値を大きくした場合(濃赤線)、同値が小さい場合(薄赤線)よりも全音域で吸音率が向上しています。

図2:多孔質材料の吸音特性

図2:多孔質材料の吸音特性(参考:日本音響材料協会、音響材料の使い方と技術資料集、音響技術No.159、2012年、P.12)

多孔質材料は柔軟で耐候性の低いものが多いので、内装仕上げとして使用する際には、表面に通気性の良いクロスやフィルム、有孔板やリブ材などが保護材として表面材に用いられます。この表面材の選択によっても、吸音率は変動します(図2グラフ、薄青の破線部分)。

また、天井仕上げとして使用されることが多い岩綿吸音板は、現場で着色する際にローラ塗りやはけ塗りにすると、虫食い状の表面を埋めることとなり、高音域の吸音率が低下してしまいます。水溶性塗料の吹付塗装にするなど、注意が必要です。

2:板(膜)状材料

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第3回:遮音の仕組みと遮音材料

著者:日本板硝子環境アメニティ株式会社 東京事業部建築エンジ設計部 建音CS設計グループ 課長(一般社団法人日本音響材料協会 音響基礎講習会 第2講 講師)齋藤 秀和

一般的な防音対策には、吸音、遮音、防振の3つがあります。前回は、その中から吸音を解説しました。今回は、遮音の仕組みと遮音材料について掘り下げます。

1. 遮音の仕組み

遮音とは、遮音材料で音を遮ることです(図1)。ある材料に音が入射した時(Ei)に、その音のエネルギーは反射したり(Er)、材料内において熱エネルギー(摩擦熱)となって吸収され(Ea)、元のエネルギーよりも小さくなって背面に抜けます(Et)。

図1:遮音の仕組み

図1:遮音の仕組み

透過率τとは、入射する音のエネルギーEiに対し、背面に透過するエネルギーEtの比です。つまり透過率τは、Et/Eiで表されます。透過損失TLとは、透過率τの逆数をdB表示したもので、TL=10×log10(1/τ)の式で表します。この透過損失は、遮音の程度を表したもので、数値が大きいほど遮音性能は高くなります。

遮音を考える上で最も大切な法則に、質量則があります。質量則とは、ガラスやコンクリートのような単一の材料で構成された材料は、基本的には単位面積当たりの質量(面密度)が大きいほど、また同じ面密度(厚さ)であれば周波数が高いほど、透過損失(遮音性能)が大きくなるという法則です。透過損失をTL0dB、周波数をfHz、面密度をmkg/m2で示すと、透過損失は……

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2. 遮音材料の種類と特徴

遮音材料とは、材料に音が入射した時に、音のエネルギーを透過させにくい材料です。しかし、遮音目的に特化した遮音材料と呼ばれる材料群が、数多く製造・販売されているわけではありません。通常、石こうボードや合板、コンクリートブロックなどの身近な建築材料が、遮音材料として用いられています。

遮音材料は、構造から4種類に分類されます。一重壁、二重壁、複合材料、窓・扉の4つです。一般的な遮音材料として、軽量・施工時の省力化といったメリットから、ボード系の乾式壁が多く用いられます。また、遮音特性だけでなく、耐火性能、強度、耐水性などが必要とされる場合もあるので、使用の際には併せて考慮しましょう。近年ではボード構成や下地の組み方を工夫することで、より高い遮音性能を有する遮音壁構造も開発されており、材料単体だけでなく、下地や構造まで含めた点から比較・選定していくことが大切です。

それでは、遮音材料を4つの種別ごとに見ていきましょう。

1:一重壁

一重壁の遮音材料には、コンクリート壁やガラスのように、単一の材料で構成されたものが該当します。中高音域では質量則やコインシデンス効果で性能は近似しますが、低音域においては板が振動しやすい周波数(共振する周波数)を中心に、性能が低下します。

例えば単板ガラスの場合、厚さによってコインシデンス効果が生じる周波数が変わります。周波数によっては、薄いガラスの方が、厚いガラスより遮音性能が高くなる場合があります(図3、1,500Hz周辺)。

図3:単板ガラスの音響透過損失

図3:単板ガラスの音響透過損失(公益社団法人日本騒音制御工学会、特集:建築音響の基礎知識、騒音制御Vol.32、No.5、2008年、P.331を基に作成)

2:二重壁

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第4回:防振の仕組みと防振材料

著者:日本板硝子環境アメニティ株式会社 東京事業部建築エンジ設計部 建音CS設計グループ 課長(一般社団法人日本音響材料協会 音響基礎講習会 第2講 講師)齋藤 秀和

一般的に防音対策と呼ばれるものには、吸音、遮音、防振の3つの方法があります。前回は、その中から遮音を解説しました。今回は、防振の仕組みと防振材料について掘り下げます。

1. 防振の仕組み

防振とは、振動する機械や空調機などの振動体から、建物へ伝達する振動(固体伝搬音)をできるだけ小さく制御することです。空気音の騒音の場合、壁などの遮音体を通過するたびに減衰するので、隣接していない部屋に大きな騒音が届くことはありません。一方、固体伝搬音は壁や床・天井などの構造物(固体)を振動させて音を発生させるので、大きく減衰することなく、離れた部屋まで騒音が伝わることがあり、注意が必要です。

固体伝搬音を抑えるためには、構造体の固有振動数(単位時間に振れる回数)を考える必要があります。固有振動数とは、ある物体が強く反応して激しく揺れる振動数のことで、どのような物体にも、固有振動数があります。一方、物体は固有振動数から大きく外れた振動数で揺すられても、ほとんど反応せず、大きく揺れることはありません。そこで物体を防振材で支持した時に形成される、振動系(防振系)の固有振動数を、対象となる騒音の振動から大きく離すことにより、振動の伝達を小さくすることができます。 防振系の固有振動数f0は、防振材の動的ばね定数をk、振動系の質量をmとした場合、下式で表されます。

防振系の固有振動数

この固有振動数と振動の伝達の割合(振動伝達率)の関係を表したものが、図1です。固有振動数を1とした時、その√2倍の周波数が伝わってきた時に実際のレベルと同じ振動が伝わります。それ以上の周波数の振動では、……

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2. 防振材料の種類と特徴

防振材料とは、ある物体を防振材で支持することにより、振動の伝達を小さくする材料のことです。一般的によく知られている防振ゴムのほか、エラストマーや高密度の多孔質材料などを使用することもあります。

1:防振ゴム

防振ゴムは施工性がよく、ばね定数が広範囲に選べ、共振時の振幅も過大にならないため、よく使用されます。

一般的な丸型や角型の防振ゴムは、圧縮方向の力を支持することを主としており、せん断力や引張力に対しては非常に弱いので、取り付け時には防振ゴムの圧縮方向に荷重がかかるように取り付ける必要があります。また同時に、水平方向の振れ止めも必要となります。防振ゴムの選定は、固定荷重+積載荷重が防振ゴムの許容荷重以下となるように、かつ積載荷重がない状態でも固有振動数が目標値以下となるように選定します。この選定が適切に行われないと、意図した防振性能が得られないばかりか、対象周波数によってはかえって増幅してしまい、防振していない状態よりも悪い状況になることもあります。防振ゴムの選定には、細心の注意が必要です。

図2:さまざまなタイプの建築用防振ゴム

図2:さまざまなタイプの建築用防振ゴム(画像提供:日本板硝子環境アメニティ株式会社)

2:エラストマー

エラストマーとは、ゴム弾性を有する材料の総称です。防振材料では、エーテル系の発泡ポリウレタンエラストマーや、ノンシリコーンウレタンエラストマーなどが利用されます。卓越したエネルギー吸収特性、優れた減衰能力、低温での柔軟性などを備え、防振ゴムでは難しいとされていた耐水性や耐薬品性を併せ持つ防振材として、さまざまな分野で使われています。

図3:ポリウレタン防
振材(画像提供:日本板硝子環境アメニティ株式会社)

図3:ポリウレタン防振材(画像提供:日本板硝子環境アメニティ株式会社)

3:高密度の多孔質材料

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第5回:騒音・振動の防止設計

著者:日本音響エンジニアリング株式会社 ソリューション事業部 騒音環境改善チーム 課長(一般社団法人日本音響材料協会 音響基礎講習会 第3講 講師)小池 宏寿

前回は、防振の仕組みと防振材料を取り上げました。今回は、騒音・振動の防止設計について解説します。音に関わる特別な室以外でも、よりよい生活空間を作るために、騒音・振動の防止設計を行う場合があります。ただしその時には、必要以上に静かな空間や、居住スペースを脅かす程の大きな遮音壁を造るのではなく、用途に応じた適切な仕様にすることが肝要です。

1. 騒音防止の設計フロー

騒音防止(遮音構造)の設計手順を、図1のフローチャートに示します。配置計画(各室のレイアウト)が決定したら、検討対象室の抽出、室内騒音目標値の設定、騒音伝搬経路の洗い出し、音源室の発生騒音の予測、必要遮音量の算出です。それでは、5工程を順に解説します。

図1:騒音防止(遮音構造)の設計フローチャート

図1:騒音防止(遮音構造)の設計フローチャート

1:検討対象室の抽出

家屋や建物全体の配置計画(設計)が終了したら、音について考慮する室を選定します。室の用途から静けさが強く要求される室、生活環境レベルの静けさが要求される室、騒音・振動が発生する室など、静かであることが求められる室と、大きな音(振動)の発生が予測される室を、前もって選択・把握しておきます。

2:室内騒音目標値の設定

室内の静けさの度合いを決める際、基本的にはその室の利用者の意見を参考にします。音に対する考え方や感じ方は、人によってさまざまな差があり、画一的に決めることが難しいからです。なお、学会の推奨値や文献などを基に目標値を設定する時には、図2のような周波数特性のグラフを利用します。

図2:室内騒音の基準周波数特性グラフ(左:NCグラフ、右:Nグラフ)

図2:室内騒音の基準周波数特性グラフ(左:NCグラフ、右:Nグラフ)

図2左のNCグラフは、アメリカの音響学者L.L. Beranekが、会議室内に外から聞こえてくる騒音など、主にオフィスにおける騒音を想定して作成した基準周波数特性です。対して図2右のNグラフは、日本建築学会が推奨する、室内の内部騒音(エアコンやエレベータ、水音など)に関する基準周波数特性です。それぞれの室の用途によって、NC値もしくはN値を設定し、騒音がその値の範囲内に収まるように設計します。

3:騒音伝搬経路の洗い出し

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2. 遮音構造、4つの落とし穴

遮音構造でクレームへとつながりやすい4つの落とし穴と、その解決方法を紹介します。盲点をつぶすことで、必要とされる遮音レベルを確実に実現しましょう。

1:システム天井と界壁の関係性

一般的なオフィスでは、工場生産されたパネル式のシステム天井がよく採用されています(図4)。

図4:界壁の納まりと騒音の伝搬イメージ(左:界壁が仕上げ天井下までの場合、右:界壁がスラブ下までの場合)

図4:界壁の納まりと騒音の伝搬イメージ(左:界壁が仕上げ天井下までの場合、右:界壁がスラブ下までの場合)

図4左は、界壁が仕上げ天井(システム天井)の下までしかないケースです。図 4 右は、界壁が仕上げ天井を超え、スラブ下まで設けられているケースです。実は前者のような施工例で、騒音クレームが多く生じています。どれほど騒音に差があるのか、具体的に見ていきましょう。

図5の左は、界壁がシステム天井下で止まっている場合の、隣室における騒音伝搬状況を可視化したものです。

図5:音源探査による
システム天井からの騒音伝搬状況調査結果(左)と、界壁の納まりによる遮音性能比較(右)

図5:音源探査によるシステム天井からの騒音伝搬状況調査結果(左)と、界壁の納まりによる遮音性能比較(右)

音源探査の結果(図5の左下)を見ると、防災設備(スプリンクラー)の部分から音漏れが生じています。図5の右は、界壁が仕上げ天井下までの場合と、スラブ下まである場合の遮音性能を比較したグラフです。このグラフから、界壁が仕上げ天井下までしかない場合は、スラブ下まで界壁がある場合と比較して、500Hzで約10dB程度の差が生じており、遮音性能が低くなっています。これらの結果から、界壁を仕上げ天井下まででなく、スラブ下まで設けることが、とても重要であることが分かります。

2:二重床と重量床衝撃音の関係性

次に紹介するのは、二重床と重量床衝撃音の関係性です。遮音に詳しくない人は、「床は二重になっている方が、遮音効果が良いに決まっている」と思いがちです。しかし実は、そこに落とし穴があります。

まず、床衝撃音を説明しましょう。床衝撃音には、子どもが飛び跳ねたりした低・中音域の音を想定した重量床衝撃音と、硬質で軽量なスプーンなどの落下音や、人の歩行音など中・高音域の音を想定した軽量床衝撃音の2種類があります。床衝撃音の測定は、騒音が発生した室の階下で行われます。

配管などを収納するために、スラブに束立てした二重床を設けた室を例に、検証します。図6右は、二重床を施行した場合と、床がスラブ素面のままの場合に、その階下で測定した重量床衝撃音を比較したグラフです。

図6:スラブ素面と二
重床のイメージ図(左)と、重量床衝撃音遮断性能の比較(右)

図6:スラブ素面と二重床のイメージ図(左)と、重量床衝撃音遮断性能の比較(右)

3:二重床と壁の納まりによる軽量床衝撃音への影響

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第6回:室内音場とは

著者:日本音響エンジニアリング株式会社 音空間事業本部 企画営業部 副部長(一般社団法人日本音響材料協会 音響基礎講習会 第4講 講師)津金 孝光

前回は、騒音・振動の防止設計と、遮音構造の落とし穴になる事例を紹介しました。今回は、室内音場を取り上げます。コンサートホール、テレビスタジオ、教会、会議室、大型スタジアムなど、空間の用途に応じて、残響と反響を設計する必要性とその方法を学びましょう。

1. 室内音場とは

室内音場とは、床・壁・天井などによって閉ざされた室内空間における、音の振る舞いです。特徴的な現象に、残響(Reverberation)と反響(Echo)が挙げられます。

残響とは、室内で音を出した時、その音を止めた後も響きがしばらく残る現象(音のエネルギーが滑らかに減衰)です。コンサートホールで、音楽を潤い豊かに聞くためには、不可欠です。しかし残響が多くなると、一般的に音の明瞭性が悪くなります。そのため、講堂や会議室など、人の会話を聞くことが主途となる室内では、過度な残響は使い勝手を悪くしてしまいます。

反響とは、短い音を出した時に、その音に遅れて、1つまたは連続した多数の反射音が分離して聞こえる現象です。馴染みのあるところでは、山びこも反響の一種です。室内で、特に反射面が平行している場合には、その間で反射が繰り返され、連続的なエコーが生じます。これをフラッターエコーといいます。天井に荘厳な竜の絵が描かれた日光東照宮の薬師堂では、……

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2. 吸音と室内音場

室内の残響の長さを表す指標として、残響時間(Reverberation Time)があります。残響時間とは、音の響きの長さを示す量のことです(図1)。室内音場として拡散音場(音のエネルギー密度がほぼ均一で、かつエネルギーの流れが等方的な音場)を仮定した時に、室内で音源から音を出し、音のエネルギー密度が定常状態になった後に音源を停止させ、エネルギー密度が1/106(100万分の1、-60dB)に減衰するまでの時間です。拡散音場の仮定に基づけば、残響時間は吸音材の配置、音源点・受音点の位置によらず、一定になります。実際には、音場の拡散の程度によって、多少変化します。

図1:残響時間の定義

図1:残響時間の定義(引用:一般社団法人日本音響材料協会、音響技術No.54、1986年6月、P.52)

残響時間を示す式はいくつかあります。ここでは、アメリカの物理学者ウォーレス・クレメント・セイビン(以下Sabine)の残響式を図2に示します。

図2:Sabineの残響式

図2:Sabineの残響式

このSabineの残響式には、2つのポイントがあります。1つ目のポイントに、室内空間の室容積が大きいと、必然的に残響時間は長くなることが挙げられます。第2に、……

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3. 室内音場の問題が起きやすい3事例

建築設計時に、音響特性への配慮がおろそかになりやすい3つの空間(会議室、大空間、教室)と注意点を、紹介します。

1:会議室の吸音対策

内装デザインに配慮した会議室は、床・壁・天井にガラス、塗装仕上げやフローリング、プリントタイルなど、音響的に反射性の高い材料や施工法を多用するケースがあります。完成後に使用してみたら、室内の音が響きすぎてしまい、話が聞き取りにくいという問題が顕在化することも少なくありません。会議室という室の目的から、適切な吸音処理は必須であり、話が聞き取りやすく、落ち着きのある空間を担保する必要があります。特に、最近多く利用されているテレビ会議を利用する場合には、システムを介して相手とコミュニケーションを取るために、通常の会議室以上に吸音に配慮した空間が必要です。

2:大空間の残響対策

体育館やスケートリンク、プールなどのスタジアムは、室容積が大きいため、必然的に残響時間が長くなります(参考:Sabine の残響式)。競技用の床、リンクの氷面、プールの水面、天井など、音響の大きな反射面が多いことも特徴です。また、競技に使用される放送・音楽だけでなく、観客席からの声援もあり、騒がしい空間となりやすく、騒音が競技に支障をきたす場合もあります。さらに残響過多な大空間は、非常時の放送が聞き取りにくく、避難に支障が出る可能性もあります。大空間スタジアムにおいても、適切な吸音対策を施すことは、極めて重要です。

3:教室の吸音対策

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第7回:音響測定の方法

著者:日本音響エンジニアリング株式会社 音空間事業本部 企画営業部 音響グループ シニアエンジニア(一般社団法人日本音響材料協会 音響基礎講習会 第5講 講師)福満 英章

前回は、音への特別な配慮が必要な空間で重要となる室内音場を解説しました。最終回となる今回は、建築現場における音響測定の方法を説明します。騒音計・振動レベル計・測定用ノイズ発生装置などの計器の使用方法にも言及します。

1. 建築音響分野の音響測定

建築音響分野では、さまざまな音響測定が行われます。音響測定の目的は、あいまいな人の感覚を人の聴感に対応する物理特性に置き換えることで、音響特性を客観的に評価することです。本来、人の耳は微妙な音の変化を聴き分けられる、非常に高度な能力を持っています。しかし、それは人の聴覚を通した記憶であり、音源の停止とともに音が消えてしまえば、音の正確な比較は容易ではありません。

音響測定に使用する測定機器、測定方法、評価方法に関する規格は、JIS(日本工業規格)、ISO(国際標準化機構が発行する規格)、IEC(国際電気標準会議が発行する規格)などによって厳密に整備されています。その規格を守ることにより、音響特性を同一条件下で客観的に評価することが可能になっています。

建築現場での代表的な音響測定には3つの測定方法があります。騒音測定(JIS Z 8731 環境騒音の表示・測定方法)、遮音測定(JIS A 1417 建築物の空気音遮断性能の測定方法)、床衝撃音測定(JIS A 1418-1建築物の床衝撃音遮断性能の測定方法:標準軽量衝撃源による方法、-2 建築物の床衝撃音遮断性能の測定方法:標準重量衝撃源による方法)の3つです。なお、遮音測定の評価方法はJIS A 1419-1により、床衝撃音測定の評価方法はJIS A 1419-2により……

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2. 騒音計、振動レベル計

音響測定に使用する計器として、騒音計と振動レベル計を紹介します。騒音計とは、マイクロホンにより音圧レベルを計測する測定器です(図1)。振動レベル計とは、振動ピックアップにより振動レベル(振動加速度レベル)を計測する測定器です(図2)。近年はほぼデジタル化されており、いずれもセンサに入力される音や振動の電気信号の変化を、音圧レベルや振動加速度レベルの変化として表示・出力するものです。

図1:騒音計(左から2機がリオン株式会社製、右1機が株式会社小野測器製)

図1:騒音計(左から2機がリオン株式会社製、右1機が株式会社小野測器製)

図2:振動レベル計(リオン株式会社製)

図2:振動レベル計(リオン株式会社製)

1:騒音計の設定と使用方法

騒音計(JIS C 1509-1 サウンドレベルメータ(騒音計):仕様、-2 サウンドレベルメータ(騒音計):型式評価試験)を使用する場合、測定前に、測定目的に合わせた3つの基本設定を行う必要があります。まずは周波数重み特性の設定です。dB(A)、dB(C)の聴感補正回路、dB(F)のフラット特性回路の選択を行います。次に、時間重み特性の設定を行います。音源の特性に合わせ、メータの動特性(Fast、Slow)を選択します。なお、人の聴感特性は、Fastに近いといわれています。最後に、ダイナミックレンジを設定します。ノイズに埋もれない、またオーバーロードしない最適な測定レンジに設定しましょう。

ここで、周波数重み特性について、詳しく説明します(図3)。人が感じる聴感上の音の大きさ(ラウドネス)は、同じ音圧であっても音の周波数によって異なり、通常は低音域に対して鈍感な感度特性をしています。さらに、人の耳の特徴として、音の大きさによってその周波数特性が異なることが知られています。音の聴感的な大きさが一定となる純音の音圧レベルを結んで得られる等感度曲線を、等ラウドネス曲線と呼んでいます。dB(A)は、1kHzで40phonの大きさに聞こえる等感度曲線の逆特性に近似した聴感補正回路で、一般的な騒音測定の評価に使用されています。一方、dB(C)は90phonの等感度曲線の逆特性に近似し、低音域の感度が上昇した聴感補正回路で、大きな音の騒音評価の際に使用されます。dB(F)は、周波数特性がフラットで、音の物理特性をそのまま周波数分析する時に使用します。

図3:周波数重み特性 dB(A)、dB(C)、dB(F)

図3:周波数重み特性 dB(A)、dB(C)、dB(F)

なお音響測定前には、音圧レベルを正しく計測するために、音響校正器を用い、騒音計の指示値が正しい値を示しているか確認する必要があります(JIS C 1515 音響校正器)。

音は時間により変動するので、音源の種類や特徴によって、指示値の平均値、エネルギー平均値(Leq.)、ピーク値の平均値、時間率騒音レベルなど(L50、L95など)、適切な分析方法で測定します(JIS Z 8731環境騒音の表示・測定方法)。現在は、デジタル式の積分型騒音計が主流です。計測したサンプリングデータからエネルギー平均値や時間率騒音レベルを演算・表示するので、数値を簡単に得ることができます。図4は、積分型騒音計の表示画面イメージです。

図4:リアルタイムアナライザ機能付き積分型騒音計の表示画面イメージ(リオン株式会社製、左:騒音レベル表示画面、右:オクターブRTA表示画面)

図4:リアルタイムアナライザ機能付き積分型騒音計の表示画面イメージ(リオン株式会社製、左:騒音レベル表示画面、右:オクターブRTA表示画面)

2:振動レベル計の原理と使用方法

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3. 周波数分析

騒音計のA補正回路を使用して測定すると、人が感じる騒音の大きさ(騒音レベル)を簡単に知ることができます。しかし、騒音レベルのみでは、高音域が大きい騒音なのか、低音域が大きい騒音なのかといった情報は分かりません。従って、音の特徴をより正確に知るためには、音響情報をいくつかの周波数帯域に分解して分析を行う必要があります。

建築音響の分野では、定量的な評価を行う場合、一般に対象となる周波数範囲は、63Hz~8kHzです。そのため、周波数分析の方法も、音響信号を63Hz~8kHzを8帯域(バンド)に分割するオクターブバンド分析、各々の帯域をさらに3帯域に分割する1/3オクターブバンド分析(50Hz~10kHz)などがあります(図6)。周波数分析は、音のエネルギーをいくつかの周波数帯域に分解して音圧レベルを分析するので、分割した全ての帯域の音圧レベルを合成すれば、元の音圧レベルになります。なお、オクターブバンド分析は、1/1オクターブバンド分析と表記する場合もあります。

図6:オクターブバンド
分 析(上)と1/3オクターブバンド分析(下)の概念図

図6:オクターブバンド分 析(上)と1/3オクターブバンド分析(下)の概念図

なお、モータやエンジンなどの回転機器の騒音など、純音成分や狭帯域の周波数分析が必要な場合には、……

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4. 現場における実務的な音響測定

建築音響の現場での代表的な3つの音響測定である騒音測定、遮音測定、床衝撃音測定について、詳しく解説します。前述の通り、これらにはJISによる測定方法の規格があります。

1:騒音測定、JIS Z 8731 環境騒音の表示・測定方法

室内騒音の測定事例のグラフを、図7に示します。

図7:定常騒音の測定事例・Leq.(NC値)と、変動騒音の測定事例・時間率騒音レベル(NC値)

図7:定常騒音の測定事例・Leq.(NC値)と、変動騒音の測定事例・時間率騒音レベル(NC値)

空調騒音のように騒音が安定している場合(定常騒音)は、5秒間程度のエネルギー平均値(Leq.)で評価します(図7左)。音楽などの変動騒音(図7右)では、前述のリアルタイムアナライザ機能付き積分型騒音計を使用します。設定した時間の騒音データをサンプリングし、取り込んだ音圧レベルの Lmax.、L5、Leq.、L95、Lmin.などの時間率騒音レベルの演算結果により評価します。平均的な騒音値を知りたい場合は、エネルギー平均値である Leq.を、また騒音対策用の音源データとして使用する場合は、一般的に時間率90%レンジの上端値であるL5の値を採用します。

2:遮音測定(空気音遮断性能)、JIS A 1417 建築物の空気音遮断性能の測定方法

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