音が距離により減衰する理由

音の事を少し調べたことがある人なら、音が距離により減衰する事をご存じだと思います。
この現象を『音の距離減衰』といいます。

前回のコラムで、音のエネルギーが半分になると、騒音レベルが3デシベル小さくなることをお話しました。　音の距離減衰も、同様の理由で減衰します。

音源から離れるにつれて、音のエネルギーは周囲に拡散するため、ある点に到達する音のエネルギー密度が減少します。　このエネルギー密度の減少が、音圧レベルの低下、つまり距離減衰として現れます。

小さな点状の音源で考えてみます。
点・・・つまり球の表面積は次の式で求められます。

この式から、球体の半径が2倍になると、表面積は4倍になる事が分かります。　つまりエネルギーが一定の場合、エネルギー密度が 1/4 になり、デシベルで換算すると6デシベルの減少となります。

10×Log10(1/4) = - 6dB

これが点音源の距離減衰の考え方です。
では、どのような音源を、点音源というのでしょうか。

私たちが暮らす環境においては、駐車場の自動車や、建物外壁面に設置されたエアコン室外機、また上空の航空機などがこれに該当します。　これらは全く球体ではありませんが、十分に離れた位置から見れば、小さな点に見える事から、距離が離れれば離れるほど、点音源としての特性が強くなります。

では、点音源である自動車がたくさん連なった状態の道路騒音は、どのように考えればよいのでしょうか。

点が連なった状態・・・つまり、線状の音源は、無限に長い円柱とみなして円柱の表面積で考えます。

円柱の場合は、半径が2倍になると、表面積は2倍になります。　つまり、エネルギー密度は 1/2 になるので、デシベルは3デシベル減少します。

10×Log10(1/2) = -3dB

これが線音源の距離減衰の考え方です。

では、工場の窓などの面状の音源の場合は、どのように考えればよいのでしょう。　面音源の考え方は少し特殊ですが、一般的には以下の様に考えます。

まとめ

点音源は倍距離マイナス6デシベル、線音源は倍距離マイナス3デシベルと言われる理由をご説明いたしました。

では、実際に本当にこのような減衰となるのでしょうか？

一般環境では、距離減衰だけではなく、音の反射や遮蔽、温度勾配、風、湿度など、様々な要因が音の伝搬に影響を与えます。　しかしながら、これらの要因を可能な限り考慮すると、ほぼ計算通りの結果となると考えてよいと思います。

私はこれまで多くの事例で計算を行ってきましたが、計算結果と実際の測定値が一致した時などは『にんまり』してしまいます。

一方で、計算結果と実測値が大きく異なる場合は、他の要因が影響していると考えることで、思わぬ発見があったりします。　このような経験を積み重ねることで、音の伝搬に関する理解を深めることができました。

音の距離減衰の考え方は、音響シミュレーションだけでなく、騒音問題の原因究明にも有効に活用できます。　例えば、特定の場所で騒音が発生している場合、音源の位置を特定するために、距離減衰の法則を応用することができます。　音圧レベルが距離とともにどのように変化するかを測定することで、音源との距離を推定し、音源の位置を特定することができます。　この手法は、工場の騒音問題や、交通騒音の調査など、様々な場面で活用されています。

音の距離減衰は、音の伝搬を理解するための基礎的な概念であり、騒音問題の解決に不可欠な知識です。