室内音響設計

音楽室、リスニングルーム、ホームシアターに共通する室内音響設計について
解説いたします。

◆吸音と反射

どのような材料でも入射してきた音の一部を吸収し残りを反射します。吸収された
音響エネルギーは材料を加振し熱に変換されますが、振動は音として入射した面と
その反対側の面の両方から空気中に再放出されます。遮音設計のページで説明
した透過損失は入射した音響エネルギーと反対側から再放射されるエネルギーの
比率です。

吸音にも透過損失と同様、音の入射方向依存性がありますが、通常の部屋は拡散
状態と考えられますのでランダム入射での吸音率を使います。この吸音率は残響室
で測定されれることから材料のデータには「残響室測定法」と書かれています。
吸音率=0.8は、その周波数で20%が反射し、80%が吸音されることを表しています。

◆吸音材とその特性

吸音材には様々な種類がありますがその原理から多孔質型（グラスウールなどの
繊維タイプや独立気泡性ウレタンフォームなど）、板振動型（薄いベニヤ板や通気性
のないカンバスなど）、共鳴器型（穴あきボードや瓶、壷など）に分類されます。

１：多孔質型吸音材の特徴
　　多孔質型の吸音材に音波が入射するとその微細空間の空気粘性抵抗、素材
　　との摩擦、素材の振動（一般に素材の内部損失が大きいので振動による音の
　　再放射は無視できる）により音響エネルギーが熱に変換され音が吸収されます。
　　吸音材の厚みが1/8λ（λは音の波長）より高い周波数ではほぼ均一な吸音率
　　を示します。吸音材の厚みが周波数特性に影響を与えるのは粒子速度が速い
　　場所（最大となるのは反射壁から1/4λ離れた場所）に吸音材があると効率的に
　　熱エネルギーへ変換できるからです。この理由により吸音壁の厚みが同じなら
　　反射壁と多孔質吸音材との間に空気層を入れても吸音率は大きく変わりません。
　　
２：板振動型吸音材の特徴
　　音響エネルギーが薄いベニヤ板などを振動させると、板の内部損失により熱が
　　発生し、音響エネルギーが熱に変換され吸音します。しかし板材は様々な共振
　　周波数を持っており、その周波数で励振されると振動がすぐには納まらず空気中
　　に再放出してしまいます。これを防ぐためにグラスウールなどを張り付けて使用
　　されていますが完全に消すことは出来ません。また、共振周波数では吸音率が
　　上がり、その他の周波数では吸音率が下がる選択特性となります。

３：共鳴器型吸音材
　　共鳴器型の吸音材ではネックと空洞部で決まる周波数で共振し、ネックを通過
　　するときの空気の粘性とネックとの摩擦とで音響エネルギーが熱エネルギーに
　　変換され吸音します。このタイプの吸音材は非常に鋭い共振特性を持っている
　　ので（Qが高い）吸音と同時に再放出量も大きいのが特徴です。瓶の口を吹く
　　と共鳴の音が聞こえますが吹くのをやめてもしばらく音が残っています。これが
　　再放出の音です。吸音用の穴あきボードもこれと同じ原理で、それぞれの穴と
　　背後空気層とで決まる周波数を吸収します。通常ボードの裏側にグラスウール
　　などの多孔質吸音材を詰めQを低くして使用します。

◆フラッタ・エコーの回避

フラッタ・エコーは音が平行した壁面間や凹面の焦点との間で繰り返し反射して生
じます。反射音が元に戻らないように壁面に角度を付ければこれを避けられます。
壁を鏡に見立て、2回以上の反射を追跡した音線図を作り、音線が元に戻らない
角度とすればフラッタ・エコーは生じません。作図例を下に示します。

◆ブーミングの抑制

ブーミングは低次元の強い定在波により引き起こされます。リスニングルーム（２）
の低音再生限界の項目も参照下さい。低音域では部屋隅が最も音圧が高くなり
ますから吸音に最適な場所です。吸音構造は50cm程度の厚みを持った40kg/
立方メートル程度のグラスウールが（低音域の吸音率が高いので）適しています。
吸音構造の例を下図に示します。吸音は1カ所に集中させず分散配置とします。

◆定在波の検証

直方体の室形状では定在波の計算が出来ますが傾斜壁や5角形の部屋では斜波
となり、計算が困難です。このような場合では縮小模型を作り（例えば1/10スケール）
その特性を測定します。実スケールで問題となるのは500Hz以下なので1/10模型で
は5kHz以下を測定します。1/4インチの計測用マイクを使えば100kHz近くまで測定
出来ますが高い周波数では様々な要因で誤差が大きくなり実用的とはいえません。

◆拡散

音楽を楽しむためにはほどよい音の拡散が必要です。壁面を傾けることで良く拡散
するようになります。また、拡散体として平方剰余、原始根列、ルジャンドル数列な
どを使った擬似確率論的拡散体が使われることもありますが開口部で生じる選択
的な強い吸音に注意します。同じ理由でパイプオルガンは多くの共鳴器があるので
広い帯域で大きな吸音現象を示します。近年多くのホールでこのような拡散体が
使用されていますが角を丸め拡散性能を犠牲にして吸音を避けています。室容積が
20～200立方メートル部屋では幾何音響が成立する周波数は概略200～100Hzです。
200Hz以上を拡散する平方剰余拡散板を計算すると70cm程度の厚みを必要とします
のでホールのような大空間以外では実用的ではありません。

音の拡散は吸音材の分散配置、室内の本立て、机と言った比較的大きな表面積を
持つ物でも生じますし、小さな置物でも高域で拡散します。おおよその目安は物の
大きさが1/2λ以上の周波数で拡散への影響があります。部屋の中の置物はそれ
自身が共鳴して音を出すことがありますので注意して下さい。

◆音線法による解析

音線法を使えば音の拡散度合いをある程度つかめます。作図してもかまいませんが
専用のソフトウエアを使い壁面データを入力すると音線数や追跡する反射回数を選べ
ます。

◆その他の留意点

室内の造作物や建具が共鳴しないように注意します。例えばフラッシュ扉は先に述
べた板振動の吸音材となります。

反射壁は全周波数帯域で反射する剛壁とし、厚い石膏ボードや石材で作ります。
石膏ボードを使う場合は間柱などの支持材を非等間隔に配置すると共振周波数を
分散させることが出来ます。また、内部損失の異なる材料と組み合わせたり、遮音
シートのようなダンピング材を使うのも共振を押さえるのに効果的です。
反射壁の仕上げ材は高域の特性に影響を及ぼします。例えばクロス貼りにすると
高域での吸音が多くなります。鏡面仕上げの石材は波面の揃った強い反射をする
ので避けた方が良いでしょう。表面材を使用する場合は剛壁に密着させ、表面材
の振動を防ぎます。

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室内音響設計－残響時間の計算