残響
ギターのリバーブ

音響学において、残響（リバーブ、reverberation ）とは、発生した音の残響時間を指します。 [ 1 ]残響は、音が表面で反射して多重反射が起こり、その反射が蓄積されてから、家具、人、空気などの空間内の物体の表面に音が吸収されるにつれて減衰します。[ 2 ]残響は、音源が停止しても反射が続き、振幅が減少して最終的にゼロになったときに最も顕著になります。

残響は周波数に依存します。減衰の長さ、つまり残響時間は、意図された活動に最適なパフォーマンスを実現するために特定の残響時間を必要とする空間の建築設計において特別な考慮を払われます。[ 3 ]前の音から少なくとも50～100 ミリ秒後に検知できる明確なエコーと比較すると、残響は約50ミリ秒未満の連続して到達する反射音の発生です。時間の経過とともに、反射の振幅は徐々に知覚できないレベルまで減少します。残響は屋内空間に限らず、森林やその他の反射音が存在する屋外環境でも存在します。

残響は、ホールや音響反射面のある演奏空間で人が歌ったり、話したり、楽器を演奏したりすると自然に発生します。[ 4 ]残響は、エコーチャンバー、金属を通した振動、デジタル処理などの手段で残響をシミュレートするリバーブエフェクトを使用して人工的に適用されます。 [ 5 ]

残響は録音された音に空間感を与え、自然さを増す効果がありますが、特に騒音が存在する場合には、音声の明瞭度を低下させることもあります。補聴器の使用者を含む難聴者は、残響や騒音の多い環境では音声の理解が困難であると頻繁に訴えています。また、残響は自動音声認識における大きな誤りの原因にもなります。

残響除去は、音または信号の残響レベルを低減するプロセスです。

残響時間

パルスによって励起された残響空洞内の音響レベル（時間の関数として）（非常に簡略化された図）

残響時間とは、音源が停止した後、密閉された空間内で音が「消え去る」までに必要な時間を測定したものです。

残響時間を計器で正確に測定する場合、T 60 [ 6 ]（残響時間60dBの略）という用語が用いられます。T 60 は客観的な残響時間の測定値を提供します。これは、生成された試験信号を突然停止させた後、音圧レベルが60dB減少するのにかかる時間と定義されます 。

残響時間は、広帯域信号（20 Hz～20 kHz）として測定された場合、単一の値として示されることがよくあります。しかし、残響時間は周波数に依存するため、周波数帯域（1オクターブ、1/3オクターブ、1/6オクターブなど）でより正確に表すことができます。周波数に依存するため、狭帯域で測定された残響時間は、測定する周波数帯域によって異なります。精度を保つためには、残響時間の測定でどの周波数範囲が表されているかを把握することが重要です。

19世紀後半、ウォレス・クレメント・サビンはハーバード大学で、吸音による残響時間への影響を調べる実験を開始しました。携帯可能な風箱とオルガンのパイプを音源として使い、ストップウォッチと自身の耳を用いて、音源が途切れてから聞こえなくなるまでの時間（約60dBの差）を測定しました。そして、残響時間は部屋の寸法に比例し、吸音量に反比例することを発見しました。

音楽を演奏する空間に最適な残響時間は、その空間で演奏される音楽の種類によって異なります。スピーチ用の部屋では、通常、スピーチをより明瞭に聞き取れるよう、より短い残響時間が必要です。ある音節の反射音が次の音節を話した時にまだ聞こえる場合、何を言ったのか理解するのが難しい場合があります。[ 7 ]「Cat」「cab」「cap」はどれも非常に似た音に聞こえるかもしれません。一方、残響時間が短すぎると、音色のバランスと音量が損なわれる可能性があります。残響効果は、スタジオで音に深みを与えるためによく使用されます。残響は、音のスペクトル構造を変化させますが、音程は変化させません。

部屋の残響時間に影響を与える基本的な要因には、部屋の構造物の大きさや形状、そして部屋の構造に使用されている材料などがあります。また、人や持ち物など、部屋の中に置かれるあらゆる物体も残響時間に影響を与える可能性があります。

測定

T20値の自動決定 - 5dBトリガー - 20dB測定 - ノイズフロアまでの10dBヘッドルーム

歴史的に、残響時間はレベルレコーダー（動く紙のリボン上に騒音レベルと時間をグラフ化する装置）を用いてのみ測定可能でした。大きな騒音を発生させ、音が消えていくとレベルレコーダーの波形は明確な傾斜を示します。この傾斜を分析することで、測定された残響時間が得られます。現代のデジタル騒音計の中には、この分析を自動的に実行できるものもあります。[ 8 ]

残響時間を測定する方法はいくつかあります。インパルスは、十分に大きな音（明確なカットオフポイントを持つ）を発生させることで測定できます。空砲の射撃音や風船の破裂音などのインパルス音源は、部屋のインパルス応答を測定するために使用できます。

あるいは、ピンクノイズやホワイトノイズなどのランダムノイズ信号をスピーカーから発生させ、その後停止させる方法もあります。これは中断法と呼ばれ、測定結果は中断応答と呼ばれます。

2ポート測定システムは、空間に導入された騒音を測定し、その後その空間で測定された騒音と比較するためにも使用できます。例えば、スピーカーから室内に再生された音を考えてみましょう。室内の音を録音し、スピーカーに送られた音と比較することができます。2つの信号は数学的に比較できます。この2ポート測定システムは、フーリエ変換を用いて室内のインパルス応答を数学的に導出します。このインパルス応答から、残響時間を計算できます。2ポートシステムを使用することで、大きなインパルス以外の信号でも残響時間を測定できます。音楽やその他の音の録音も使用できます。これにより、聴衆が部屋に入った後でも測定を行うことができます。

いくつかの制限の下では、手拍子のような単純な音源でも残響の測定に使用できる[ 9 ]

残響時間は通常、減衰時間として表され、秒単位で測定されます。測定に使用された周波数帯域が明記されている場合と明記されていない場合があります。減衰時間とは、信号が元の音より60dB減少するのにかかる時間です。特に低周波数では、60dBの減衰を測定するのに十分な音を室内に注入することが困難な場合が多くあります。減衰が直線的な場合は、20dBの低下を測定してその時間を3倍にするか、30dBの低下を測定してその時間を2倍にすれば十分です。これらは、いわゆるT20およびT30測定法です。

RT 60残響時間の測定は、パフォーマンススペースのISO 3382-1 規格、通常の部屋のISO 3382-2 規格、オープンプランオフィスのISO 3382-3 規格、およびASTM E2235 規格で定義されています。

残響時間の概念は、音の減衰率が指数関数的であり、音圧レベルが毎秒一定の割合で規則的に減少することを暗黙的に想定しています。しかし、実際の室内では、反射面、分散面、吸音面の配置によって、必ずしもそうとは限りません。さらに、励起音の位相差が著しく異なる音波に蓄積されるため、音圧レベルを連続的に測定すると、しばしば大きく異なる結果が得られます。1965年、マンフレッド・R・シュローダーはアメリカ音響学会誌に「残響時間測定の新手法」を発表しました。彼は、音のパワーではなく、エネルギーを積分することで測定することを提案しました。これにより、減衰率の変化を示すことが可能になり、音響学者は多数の測定値を平均化する必要がなくなりました。

サビーン方程式

ザビンの残響方程式は1890年代後半に経験的に構築されました。彼は、部屋のT 60 、容積、および全吸音率（ザビン単位）の関係を確立しました。これは以下の式で表されます。

T60＝24ln⁡101c20VS1つの≈0.1611sメートル−1VS1つの{\displaystyle T_{60}={\frac {24\ln 10^{1}}{c_{20}}}{\frac {V}{Sa}}\approx 0.1611\,\mathrm {s} \mathrm {m} ^{-1}{\frac {V}{Sa}}}。

ここで、c 20は室内の音速（20 °C）、Vは m 3での部屋の容積、S はm 2での部屋の総表面積、aは部屋の表面の平均吸収係数、積Saはセービンスでのトータル吸収です。

セービンにおける全吸音率（ひいては残響時間）は、一般的に周波数（空間の音響特性によって定義される）によって変化します。この式は、部屋の形状や空気中を伝わる音の損失（広い空間では重要）を考慮していません。ほとんどの部屋では、低周波数域での音エネルギーの吸収量が少なく、その結果、低周波数域での残響時間が長くなります。

サビーヌは、残響時間はホール内の様々な表面からの音の反射率に依存すると結論付けました。反射がコヒーレントであれば、ホールの残響時間は長くなり、音が消えるまでの時間が長くなります。

残響時間RT 60と部屋の容積Vは臨界距離d cに大きな影響を与えます（条件式）：

dc≈0。057⋅VRT60{\displaystyle d_{\mathrm {c} }\approx 0{.}057\cdot {\sqrt {\frac {V}{RT_{60}}}}}

ここで、臨界距離はメートル、容積は m³、残響時間RT 60は秒単位で測定されます。 dc{\displaystyle d_{c}}V{\displaystyle V}

アイリング方程式

アイリングの残響時間方程式は、1930年にベル研究所のカール・F・アイリングによって提案されました。 [ 10 ] この方程式は、アイリングが「デッドルーム」と呼んだ、比較的吸音量の多い小さな部屋における残響時間をより正確に推定することを目的としています。これらの部屋は、より大きく音響的に活発な部屋よりも残響時間が短くなる傾向があります。アイリングの方程式はザビーネの方程式と形が似ていますが、吸音項を対数的にスケーリングする修正が加えられています。方程式内の単位と変数は、ザビーネの方程式で定義されているものと同じです。アイリングの残響時間は、以下の式で与えられます。

T60≈−0.161 VSln⁡（1−1つの）{\displaystyle T_{60}\approx -0.161\ {\frac {V}{S\ln(1-a)}}}。

アイリングの式は、サビーネの経験的アプローチとは対照的に、音の反射のイメージ音源モデルを使用する第一原理から開発されました。サビーネが研究したような非常に活気のある部屋では、2 つの式が同一になるため、サビーネによる実験結果はアイリングの式と概ね一致します。しかし、アイリングの式は、吸音量が多い小さめの部屋ではより妥当性があります。その結果、アイリングの式は、レコーディング スタジオのコントロール ルームや吸音量が多いその他の重要なリスニング環境での残響時間を推定するためによく使用されます。サビーネの式は、吸音量が多い小さめの部屋では残響時間を多めに予測する傾向があります。このため、ホーム レコーディングスタジオなどの小規模なレコーディング スタジオ環境で利用できる残響時間計算機では、アイリングの式がよく使用されています。

吸収係数

物質の吸音率は0から1の間の数値で、表面で吸収される音と室内に反射される音の割合を示します。大きな窓が完全に開いている場合、窓に到達した音はすべてそのまま通過し、反射音は発生しません。この場合の吸音率は1です。逆に、厚く滑らかな塗装されたコンクリートの天井は、音響的に鏡と同等であり、吸音率は0に非常に近くなります。

音楽では

アトランティック誌は、リバーブを「おそらく音楽における最も古く、最も普遍的な音響効果」と評し、10世紀の平歌の頃から音楽に使われてきたとしている。 [ 5 ]

グレゴリオ聖歌は、大聖堂の長い残響時間に対応して発展したと考えられており、混沌と混ざり合う前に歌える音符の数が制限されていました。[ 5 ]

リバーブエフェクトは、音に人工的な残響効果を加えるものです。リバーブエフェクトは、エコーチャンバー、金属を通した振動、デジタル処理などを用いて残響をシミュレートします。[ 5 ]

参照

参考文献

  1. ^ヴァレンテ、マイケル;ホリー・ホスフォード＝ダン。ロス J. ローザー (2008)。聴覚学。ティーム。ページ 425–426。ISBN​​ 978-1-58890-520-8。
  2. ^ロイド、ルウェリン・サウスワース (1970). 『音楽と音』 エア出版. pp.  169. ISBN 978-0-8369-5188-2。
  3. ^ロス、リーランド・M. (2007). 『建築を理解する』 ウェストビュー・プレス. pp.  104– 105. ISBN 978-0-8133-9045-1。
  4. ^デイビス、ゲイリー（1987年）『サウンド強化ハンドブック（第2版）』ミルウォーキー、ウィスコンシン州：ハル・レナード社、p. 259、ISBN 9780881889000. 2016年2月12日閲覧。
  5. ^ a b c dウィリアム・ウィアー (2012年6月21日). 「人類がエコーを征服した経緯」 .アトランティック誌. 2021年8月8日閲覧。
  6. ^ 「残響時間」www.nti-audio.com。
  7. ^ 「なぜ残響は音声明瞭度に影響を与えるのか？」 MC Squared System Design Group, Inc. 2008年12月4日閲覧。
  8. ^ 「残響時間」www.nti-audio.com。
  9. ^パパダキス, ニコラオス・M.; スタヴロウラキス, ゲオルギオス・E. (2020). 「音響測定における手拍子：最適な適用と限界」 .音響. 2 (2): 224– 245. doi : 10.3390/acoustics2020015 .
  10. ^アイリング、カール F. (1930). 「「デッド」ルームにおける残響時間」アメリカ音響学会誌. 1 (2A): 217– 241. Bibcode : 1930ASAJ....1..217E . doi : 10.1121/1.1915175 .
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