無響室における音響パワーレベルの測定－ 入門編

ISO 3745・JIS Z 8734に準拠した音響パワーレベル評価

製品が放射する音の大きさを客観的に評価する際、受音点での音圧レベルは距離や周囲の反射条件によって変化するため、機器固有の音の絶対量を示す指標として音響パワーレベルが用いられます。
無響室や半無響室は、境界からの反射音の影響を無視できるレベルまで排除した自由音場を実現できるため、ISO 3745やJIS Z 8734に則った精度の高い音響パワーレベル測定が可能です。

測定面の形状設定とマイクロホンの配置ルール

無響室での音響パワーレベル測定（音圧法）では、音源を中心とする仮想的な測定面を想定し、その面上に複数のマイクロホンを配置して音圧レベルを測定します。
完全無響室では、音源を中心に全方位を囲む球状の測定面上にマイクロホンを配置します。一方、床面が反射面となる半無響室では、床面上の音源を中心とする半球状測定面ベースにマイクロホンを設置することが多いです。ISO 3745・JIS Z 8734では、音源の指向性や寸法に応じて基本20点などの定められた座標位置にマイクロホンを設置します。音源の寸法に対して十分な離隔距離（原則として測定半径が音源寸法の2倍以上、かつ1メートル以上）を確保することで、音源近傍の複雑な音場（近接場）の影響を避けた遠方場での精密な計測が達成されます。

音響パワーレベルの算出

各測定点 $i$ で測定された等価音圧レベル $L_{pi}$ から、まず測定面全体の平均音圧レベル $L_{\overline{p}}$ をエネルギー平均によって算出します。

$L_{\overline{p}} = 10 \log_{10} \left( \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} 10^{\frac{L_{pi}}{10}} \right)$

ここで、$N$ は測定点の総数です。得られた平均音圧レベル $L_{\overline{p}}$ に対し、測定面の表面積 $S$ に応じた面積補正項を加えることで、音響パワーレベル $L_W$ を導出します。

$L_W = L_{\overline{p}} + 10 \log_{10} \left( \frac{S}{S_0} \right)$

ただし、$S_0 = 1 , \text{m}^2$（基準面積）です。$S$は完全無響室であればマイクロホンを配置した球面の表面積、半無響室であれば半球面の表面積です。

実際の測定では、規格に定められた手法で、暗騒音の影響を補正や、大気圧・気温による補正を適用して音響パワーレベルとします。

測定の注意点と最新の自動化技術

精度の高い測定を行うには、無響室自体の性能と音源の安定駆動が欠かせません。
測定前には必ず、無響室の自由音場が成立している範囲と周波数を確認します。当然ながら、自由音場が成立する距離で、周波数範囲内で測定が行われることが重要です。音響パワーレベル測定のための自由音場の成立範囲を考慮した無響室の設計方法や、自由音場の検証方法は、後日改めて別の記事でご紹介したいと思います。
また、音源の性質が定常的か過渡的かで測定の留意点が異なります。測定中のワークの駆動状態（回転数、負荷条件）を一定に保つことも重要です。
実際の評価現場では、多チャンネルマイクアレイを用いた全点同時サンプリングや、マイクロホンの数が少ない場合には半円形のアームを自動旋回させて測定面上の音圧を効率的に測定するマイクロホン移動装置が導入されています。
全点同時サンプリングはマイクロホンやアナライザのコストが大きく上がりますが、音源が定常的ではない場合や長時間稼働させることが難しい場合、測定時間の短縮が命題の場合は必須です。マイクロホン移動装置は、音源が定常な場合に有効なソリューションで、マイクロホンやアナライザのチャンネル数は少なくなるためコストは下がります。

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