室内音響

室内音響学は、音響学の一分野であり、閉鎖空間または半閉鎖空間における音の挙動を扱います。部屋の建築的な特徴は、その内部における音波の挙動に影響を与え、その影響は周波数によって異なります。音響反射、回折、拡散が組み合わさることで、特定の周波数や位置における室内モードや定在波、反響、独特の残響パターンといった可聴現象が生じます。

部屋の中で音が振る舞う様子は、4つの異なる周波数帯に分けることができます。

• 最初のゾーンは、部屋の最長寸法の2倍の波長を持つ周波数よりも低い周波数帯です。このゾーンでは、音は静圧の変化と非常によく似た挙動を示します。
• そのゾーンより上では、波長が部屋の寸法と同程度になるまでは、^{[ a ]}部屋の共鳴が支配的になります。この遷移周波数は一般にシュレーダー周波数またはクロスオーバー周波数として知られており、小さな部屋で定在波を生成する低周波数と中周波数および高周波数を区別します。^{[ 3 ]}
• 約2オクターブに及ぶ第3領域は、第4領域への移行部である。
• 第4ゾーンでは、音は部屋の中を反射する光線のように振る舞う。

シュレーダー周波数以下の周波数では、特定の波長の音が部屋の境界内で共鳴として蓄積され、共鳴周波数は部屋の寸法を使用して決定できます。両端が閉じたパイプ内の定常波の計算と同様に、モード周波数は${\textstyle (f_{m,n,l})}$そして、特定の位置におけるそれらのモードの音圧${\textstyle (p_{m,n,l}(x,y,z))}$直方体の部屋は次のように定義できます。

$${\displaystyle f_{m,n,l}={\frac {c}{2}}{\sqrt {{\Big (}{\frac {m}{L_{x}}}{\Big )}^{2}+{\Big (}{\frac {n}{L_{y}}}{\Big )}^{2}+{\Big (}{\frac {l}{L_{z}}}{\Big )}^{2}}}}$$$$${\displaystyle p_{m,n,l}(x,y,z)=A\cos {\Big (}{\frac {m\pi }{L_{x}}}x{\Big )}\cos {\Big (}{\frac {n\pi }{L_{y}}}y{\Big )}\cos {\Big (}{\frac {l\pi }{L_{z}}}z{\Big )}}$$$

どこ${\textstyle m,n,l=0,1,2,3...}$モード番号は部屋の x、y、z 軸に対応しており、${\textstyle c}$音速は${\textstyle {\frac {m}{s}}}$、${\textstyle L_{x},L_{y},L_{z}}$は部屋の寸法をメートル単位で表したものです。${\textstyle A}$は音波の振幅であり、${\textstyle x,y,z}$は、部屋の中にある点の座標です。^{[ 4 ]}

モードは部屋の3次元すべてで発生する可能性があります。軸方向モードは1次元で、1組の平行な壁の間で発生します。接線方向モードは2次元で、空間を囲む4つの壁が互いに垂直に交わります。最後に、斜め方向モードは、単純化された直方体の部屋内のすべての壁に関係します。^{[ 5 ]}

心理音響学の概念を用いたモード密度解析法である「ボネロ基準」は、最初の 48 の室内モードを解析し、オクターブの 3 分の 1 ごとにモードの数をプロットします。^{[ 6 ]}この曲線は単調に増加します (オクターブの 3 分の 1 ごとに、前のオクターブよりも多くのモードが存在する必要があります)。^{[ 7 ]}正しい室内比を決定するための他のシステムは、より最近開発されました。^{[ 8 ]}

モード密度基準を用いて部屋の最適な寸法を決定した後、次のステップは適切な残響時間を求めることです。最も適切な残響時間は、部屋の用途によって異なります。RT60は残響時間の尺度です。^{[ 9 ]}オペラ劇場やコンサートホールでは、約1.5～2秒の時間が必要です。放送スタジオ、レコーディングスタジオ、会議室では、1秒未満の値がよく使用されます。推奨される残響時間は常に部屋の容積の関数です。複数の著者が推奨事項を示しています。^{[ 10 ]}放送スタジオや会議室の良い近似値は次のとおりです。

TR[1  kHz] = [0.4 log (V+62)] – 0.38秒、

Vは部屋の体積（m³）です^。 [ ^{11 ]理想}的には、RT60は30～12,000Hzのすべての周波数でほぼ同じ値を持つべきです 。

目的のRT60を得るために、いくつかの書籍に記載されているように、いくつかの音響材料を使用できます。^{[ 12 ] [ 13 ]} 1979年にオスカー・ボネロによって、この作業の大幅な簡略化が提案されました。 ^{[ 14 ]これは、1 m 2}の標準的な音響パネルを部屋の壁から吊り下げる というものです（パネルが平行な場合のみ）。これらのパネルは、3つのヘルムホルツ共鳴器と木製の共鳴パネルの組み合わせを使用しています。このシステムは、低周波数（500 Hz未満）で大きな音響吸収を提供し 、人、側面、天井などによる典型的な吸収を補償するために、高周波数では減少します。

音響空間とは、観察者が音を聞くことができる音響環境のことである。音響空間という用語は、教授であり哲学者でもあるマーシャル・マクルーハンによって初めて言及された。 ^{[ 15 ]}

実際には、音響空間に影響を与える音響特性がいくつか存在する。これらの特性は、音質を向上させる場合もあれば、音を妨害する場合もある。

• 反射とは、波が物体に当たったときに方向が変わる現象です。多くの音響エンジニアはこの現象を利用しています。反射はインテリアデザインに用いられ、反射を利用して効果を得たり、反射をなくしたりします。音波は通常壁で反射し、後から発生する他の音波と干渉します。音波が受音器に直接反射するのを防ぐために、拡散板が導入されます。 ^{[ 16 ]}拡散板は深さが異なり、音がランダムな方向に均等に散乱します。音の不快な反響音を、時間とともに減衰する穏やかな残響音に変えます
• 回折とは、音波が障害物を避けるために伝搬経路を変える現象です。ホイヘンスの原理によれば、音波が障害物によって部分的に遮られると、通過した残りの部分が二次波の発生源となります。 ^{[ 17 ]}例えば、人が部屋の中でドアを開けたまま叫ぶと、廊下の両側にいる人がそれを聞きます。ドアから出た音波が音源となり、廊下に広がります。周囲からの音が、上記の例のように音響空間に干渉する可能性があります。

音響空間の応用は建築において非常に有用である。コンサートホール、講堂、劇場、あるいは大聖堂など、一部の建築物では最高のパフォーマンスを引き出すために熟練した設計が必要となる。^{[ 18 ]}

• コンサートホールとは、コンサートを開催するために設計された場所です。優れたコンサートホールは通常、1700人から2600人程度の観客を収容できます。^{[ 19 ]}優れたコンサートホールの主な特徴は、明瞭さ、雰囲気、音量の3つです。^{[ 16 ]}座席が適切に配置されていれば、観客はどの席からも明瞭な音を聞くことができます。雰囲気を高めるために、残響時間は好みに合わせて設計されます。たとえば、ロマン派音楽は通常、感情を高めるためにある程度の残響時間を必要とするため、コンサートホールの天井は高くする必要があります。

  

• 劇場とは、生演奏のために設計された場所です。劇場の音響設計における最優先事項は、セリフです。 ^{[ 16 ] [ 19 ]}セリフは、たとえ小さなささやき声であっても、はっきりと聞こえる必要があります。この場合、リバーブは必要ありません。リバーブは俳優のセリフを邪魔します。音響空間を広げ、ダイナミクスを損なうことなく劇場全体をカバーするためには、音量を上げる必要があります。大きな劇場では、増幅装置を使用する必要があります。

• 大聖堂（および教会）には聖歌隊席と呼ばれる場所があり、通常は翼廊の近くに位置しています。ほとんどの大聖堂では、翼廊には塔があります。聖歌隊席は聖歌隊が歌うための場所です。この種の歌唱には、雰囲気と感情を表現するために、柔らかく、ふくらんだ音色が必要です。大聖堂の高さは、宗教的な誇りを示すだけでなく、音響効果も向上させます。音源が空間内で音を発生させると、より多くの残響が得られます。

部屋の音響印象は、以下の要素によって決まります。

• 全音レベルにおける直接音の割合^{[ 20 ]}
• 初期反射の時間遅延と方向、およびそれらが全体の音圧レベルに与える影響^{[ 21 ]}
• 残響の遅延開始と空間分布、^{[ 22 ] [ 23 ]}および全体の音レベルにおけるその割合と時間的変化（残響時間）

室内音響の課題は、部屋の音響特性が意図された用途に対して最大限になるように部屋を設計することによって、これらのパラメータに影響を与えることです^{[ 24 ]}。しかし、すべての会場が音響を考慮して設計されているわけではありません。この場合、スピーカーの配置が音波の伝播に決定的な役割を果たし、明瞭度、音量、および全体的な音質に影響を与えます。^{[ 25 ]}

音響室設計の目標は次のとおりである。^{[ 26 ]}

• レコーディングスタジオで音を録音する際には、部屋の望ましくない影響があってはなりません。^{[ 27 ]}録音された音が主に直接音によって決定され、録音室の音響特性が録音に悪影響を与えないように、反射率が可能な限り低いことが重要です。^{[ 28 ]}
• 教室、講義室、劇場などでは、可能な限り高い音声明瞭度を確保する必要があります。直接音の割合を高くし、初期反射音は主に話し手側から発生し、比較的短い開始遅延時間で発せられるようにすることで、話し手の声量を増やし、音源定位を容易にします。
• コンサートホールで最高の空間的な音楽知覚を実現するには、直接音の割合と反射音のバランスを取る必要があります^{[ 29 ]}。音楽が明瞭かつ透明に知覚されるのに十分な大きさでありながら、空間的な印象を損なわないように大きすぎないようにする必要があります。初期反射音は全体の音の大部分を占め、方向に対してできるだけ均等に分布する必要があります。

用途の異なる部屋の音響特性はほぼ互換性がないため、優れた音声明瞭度と優れた空間的な音楽知覚を両立させた万能な部屋を作り出すことはほとんど不可能である。

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