技術レポート一覧



音とそのセンサについて
(page1)

1.音とは

音(音波)は、媒質(空気中では空気)を伝わる波の一種で、媒質を構成する非常に小さな粒子(体積粒子)が波の進行方向と同じ方向に振動する縦波(粗密波)であり、体積粒子の密な部分では圧力が大気圧より高く、粗な部分では低くなります。この大気圧からの圧力の変化分を“音圧”( p )と呼び、普通は音圧の 2 乗平均の平方根(実効値 rms )で表示します。なお、単位としては、パスカル( Pa )やニュートン毎平方メートル( N/m2 )が使用されます。

人間が感じることができる音(可聴音)の周波数帯域はおおよそ 20 Hz から 20 kHz であり、音圧の範囲は 20  μPa 20  Pa で、もっとも小さな音ともっとも大きな音との音圧の比は 106 にも及びます。なお、騒音は音の一種であり、人間にとって不快な音を特別に騒音と呼んでいます。

人間は、次のような音の物理的な特徴から音の違いを聞き分け、判断していると考えられています。

 

<音の高さ>

私たちが高い音、低い音といっているもので、主に音の周波数の違いに起因します。
同じ「ア」の音声でも高い声の「ア」と低い声の「ア」がありますが、これは「ア」としての音の波の形は同じ様でもピッチ周波数が異なるためで、
ピッチ周波数が高い音は高く、ピッチ周波数の低い音は低く聞こえます。

イラスト(音の高さ)

<音の大きさ>

同じ音の高さの「ア」という声でも、大きな声の「ア」と小さな声の「ア」がありますが、これは「ア」としての音の波形は同じ様でも
、大きな声の「ア」は振幅が大きく、小さな声の「ア」は振幅が小さいことに主に因ります。

イラスト(音の大きさ)

<音色・音質>

私たちは、同じ音の大きさ、同じ音の高さでひかれている楽器でも、その種類を聞き分けることができます。
これは、楽器からでてくる音の音色や音質を聞き分けているからです。
音色や音質は、現在でも十分には解明されていませんが、音の波形が微妙に異なることに因ると考えられています。

イラスト(音色・音質)

図1 音の性質

 

また、音は波としての性質を持っていることから、「反射」、「透過」、「回折」といった性質を持ち、距離によって減衰します。以下に図示しましたので参考としてください。

イラスト(音の反射) イラスト(音の透過) イラスト(音の回析)
  図1 音の性質  

 

2.音の計測単位  

通常音を計測する場合、音の周波数特性とその大きさが対象となります。周波数はご存じのようにその計測単位として“ Hz ”が使用されます。音の大きさは、変化の範囲が非常に広いことから対数尺度が使用されます。また、“人間の感覚量は刺激量の対数に比例する"というウェーバ・フェヒナーの法則があり、聴覚も感覚量の一つであることから対数尺度が用いられています。対数尺度の単位としては、アメリカのグラハムベル( Alexander Graham Bell )が電話における電力の電送損失を表すのに最初に用いたことから、ベル( B )が使用されています。なお、ベル( B )では値が大きすぎるため、その 10 分の 1 であるデシベル( dB )が実際には使われています。また、音を扱う世界では、デシベル値を表す言葉として「レベル」を使用します。「音の大きさ」をデシベル値にしたときは、「音の大きさのレベルは」「何 dB 」のように表現します。

今、ある音の音圧の実効値を p Pa )、基準となる音圧の実効値を p0Pa)としたとき、音圧レベル Lp dB )は次の式で与えられます。

式1

(1)

基準音圧 p0 は、空気中の音の場合 20 μPa であり、正常の聴覚を有する人間の 1 kHz の純音に対する最小可聴値に近い値です。

次の図は音圧 p Pa )と音圧レベル Lp dB )との関係を示したもので、音圧 20 μPa は音圧レベル 0 dB1 Pa 94 dB20 Pa 120 dB に相当します。なお、可聴音ではありませんが、圧力の変動が 0.1 気圧(約 10000 Pa )あったとすると、音圧レベルでは 174 dB となります。

 

イラスト(騒音の種類とその大きさ)

図2 騒音の種類とその大きさ

 

 

3.音センサ

音の検出を行うセンサを一般にマイクロホンと呼びます。マイクロホンは、その変換方式の違いにより動電型、静電型、圧電型に分類されます。動電型(ダイナミックマイク)は主に音楽の世界で依然根強い需要があり、圧電型マイクは、主に低周波騒音計用のマイクとして使用されています。計測用としては、小形にできることや、広い周波数帯域に渡ってフラットな周波数特性を持ち、ほかの形式に比べ安定性がきわめて高いことから静電型(コンデンサ)マイクが一般に使用されています。

静電型の構造を下に図示します。

イラスト(バイヤス型とバックエレクトレット型マイクロホンの構造)

図3 静電型マイクロホンの構造

 

なお、静電型マイクにも、バイアス型とバックエレクトレット型の2種類があり、その違いは外部から直流電圧を加えているか、電圧を加える代わりに永久電気分極した高分子フィルムを使用するかです。

 

4.マイクロホンの選択

マイクロホンの選択に当たっては次の点に考慮する必要があります。

4.1 サイズ

マイクロホンの公称口径です。1 インチ、1/2 インチ、1/4 インチ、1/8 インチと各種ありますが、現在、計測用途としては 1/2 インチタイプのものが主流となっています。サイズが小さくなるほど高い周波数まで音場を乱さないので好ましいのですが、小さくなると感度も低くなるので使用しづらくなります。なお、音場を乱すことを極力嫌う実験では、より小口径のタイプを選択する必要があります。

4.2 レスポンスタイプ

音圧型と音場型の2つのタイプがあります。一般には音場型が用いられますが、ダクト内の音を計るような特殊な場合には、音圧型を使用します。 マイクロホンを音場中におくと、マイクロホンの振動膜に加わる音圧 P は、マイクロホンがいときの音圧 P0(音場音圧)とマイクロホンをおいたことによる増加分 ΔP0 の和( P = P0 + ΔP0 )となります。 ΔP0 は、周波数および入射角により異なります。  

イラスト(マイクロホンが無いときの音圧とマイクロホンを置いたときの振動膜に加わる音圧)

図4 音場中のマイクロホン振動膜に加わる音圧

 

音圧型は、P0 + ΔP0 に対して出力の周波数特性がフラットになるタイプのマイクロホンです。音場型は、入射角 0°(正面入射)の P0 に対して出力の周波数がフラットになるタイプのマイクロホンです。 なお、音場型のタイプでも入射角 0° 以外の時は、次図から明らかなように、高域の特性が変化するので注意が必要です。  

イラスト(音圧型の周波数特性と音場型の周波数特性)

図5 音圧型と音場型マイクロホンの周波数特性

4.3 周波数特性

計測に必要な帯域を十分カバーし、できるだけフラットなものから選択します。高い周波数まで必要なときは、音場を乱すことが考えられるので、4.1 項のサイズも合わせて考慮します。また、4.2 項の図からもわかるように正面入射音に対してはフラットでもそれ以外ではフラットになる帯域が限定されてしまうので、音源とマイクロホンの位置関係にも注意が必要となります。当社製計測用マイクロホンの周波数特性を下記表に掲げました。

4.4 温度特性

マイクロホンの安定性を左右する重要なファクタです。せっかく苦労して取ったデータも再現性がないのでまた取り直しということだけは避けなければなりません。その意味からも温度係数はなるべく小さなものを選ぶのが安全です。当社製計測用マイクロホンの温度特性は下記表に示したように非常に小さな値になっています。

表1 当社製計測用マイクロホンの主な仕様

  バイアス方式 バックエレクトレット方式
  MI-1211 MI-1235 MI-1433 MI-1531
公称口径 1/2 インチ 1/4 インチ
周波数範囲 20 Hz ~ 14 kHz 10 Hz ~ 20 kHz 20 Hz ~ 8 kHz 10 Hz ~ 100 kHz
レスポンスタイプ 音場型
偏極電圧 200 V 0 V
感度 −20 dB ± 1.5 dB re. 1V/Pa −29 dB ± 3 dB re. 1V/Pa −48 dB ± 3 dB re. 1V/Pa
静電容量 12 pF 13 pF 7 pF
最大音圧レベル 132 dB(MI-3310 使用時 ) 143 dB(MI-3310 使用時 ) 157 dB(MI-3140 使用時 )
自己雑音レベル 12 dB 以下(A 特性) 19 dB 以下(A 特性) 30 dB 以下(A 特性)
使用温度範囲 −10 ~+50 °C
使用湿度範囲 20 ~ 90 % RH(結露しないこと) 0 ~ 90 % RH(結露しないこと)
温度特性 0.007 dB/K 以下 0.009 dB/K 以下 0.001 dB/K 以下
湿度特性 0.003 dB/% 以下 -0.001 dB/% 以下  
保存温度範囲 −20 ~ +80 °C −20 ~ +60 °C −40 ~ +150 °C
保存湿度範囲 10 ~ 90 % RH(結露しないこと) 0 ~ 90 % RH
外形寸法 φ13.2 × 15.2 mm φ13.2 × 13.7 mm φ13.2 × 13.5 mm φ6.9 × 10.5 mm
質量 約 5 g 約 6 g 約 1.5 g

4.5 自己雑音レベル(自己ノイズ)

マイクロホンに音が入っていなくても出力される信号の大きさで、この値が小さいほど、小さな音でもノイズから分離して検出できます。MI-1211 はこの自己ノイズが 12 dB 以下(A 特性)と 1/2 インチタイプでは最小の値を実現しています。

以上をチェックした後、測定対象に最適なセンサの選択に入ります。

当社製計測用マイクロホンのアプリケーション別対応を以下表にまとめてみましたので参考としてください。

なお、アプリケーション別対応表に騒音計を載せていますが、騒音計はマイクロホンと演算表示部が一体となった計測器であると同時に、一つの音センサと見なしてその出力を分析・解析に使用することがでることに因ります。

表2 当社製計測用マイクロホンのアプリケーション別対応

  計測用マイクロホン 音響インテンシティマイクロホン 普通騒音計 精密騒音計
型名 MI-1211 MI-1235 MI-1433 MI-1531 MI-6410 MI-6420 LA-1410
LA-1440
LA-3260 LA-4440
LA-3560
LA-3570
検出方式 バイアス型
コンデンサタイプ
バックエレクトレット型コンデンサタイプ バイアス型
コンデンサタイプ
バックエレクトレット型コンデンサタイプ
環境騒音計測      
機械騒音計測      
音による品質管理        
建築音響計測  
音響パワーレベル計測        
音源探査            
音場解析            

 

 

 

<< 前ページ    目次    次ページ >>

関連製品


eー見積もり
アプリケーション(用途例)

Copyright © ONO SOKKI CO.,LTD All Rights Reserved. | 当サイトのご利用にあたって| 個人情報保護方針