R1 騒音・振動特論 問8
問題
工場建屋外壁内面に音が入射しており、その音圧の瞬時値p(t)(Pa)が次式で表せるとする。
p(t)=0.7sin500πt
ここで、tは時間(s)である。
外壁の面密度が16kg/m2 である場合、外壁外面から放射される音の音圧レベルは約何dBか。ただし、壁の音響透過損失 TL(dB)は次式で求める。
TL =18log(mf )-44
ここで、mは面密度(kg/m2)、fは周波数(Hz)である。
⑴ 67
⑵ 70
⑶ 73
⑷ 76
⑸ 79
解説
この問題のゴールは、「壁の内側の音の大きさ(音圧レベル)から、壁が遮断してくれる分(透過損失)を引き算して、外に漏れ出る音の大きさを求める」ことです。
解き方を3つのステップに分けて解説します。
1. ステップ1:壁の内側の周波数と音の大きさ(dB)を求める
問題文にある音圧の瞬時値の式:
p(t) = 0.7 sin(500 × π × t)
音の波の基本式 p(t) = A sin(2 × π × f × t) と見比べると、以下の2つが分かります。
- 音圧の振幅(山の高さ) A = 0.7 Pa
- 周波数 f = 250 Hz ( 2 × π × f = 500 × π より、2f = 500 となり f = 250 )
ここから内側の音圧レベル(dB)を出します。
実効値 p に直す:
山の高さ(0.7)を ルート2(約1.41)で割ると、実効値になります。
p = 0.7 ÷ 1.41 = 約0.495 Pa (約 0.5 Pa)
音圧レベル Lp に換算する:
基準音圧 2 × 10-5 Pa と比較してデシベルを計算します。
Lp
= 20 × log( 0.495 / (2 × 10-5) )
= 20 × log(24750) = 約 88 dB
これで、「壁の内側の音は約 88 dB」と分かりました。
2. ステップ2:壁のガード力(音響透過損失 TL)を求める
次に、壁が音をどれくらい遮って小さくしてくれるか(透過損失 TL)を計算します。
問題文の公式:
TL = 18 × log(m × f) - 44
ここに、壁の面密度 m = 16 kg/平方メートル と、ステップ1で求めた f = 250 Hz を代入します。
m × f = 16 × 250 = 4000
log4000 = log(4 × 103) = 2 × log2 + 3
log2 = 0.30 なので、 2 × 0.30 + 3 = 3.6
公式に当てはめると:
TL = 18 × 3.6 - 44 = 64.8 - 44 = 20.8 dB
これで、「この壁は音を約 21 dB 減衰させてくれる」ことが分かりました。
3. ステップ3:壁の外側に漏れ出る音の大きさを引き算で出す
最後は、内側の音から壁が防いでくれた分を引き算します。
(外側の音圧レベル)=(内側の音圧レベル 88 dB)-(壁の遮音量 21 dB)= 67 dB
4. まとめ
- 手順1:瞬時値の式から 周波数 f = 250 Hz と 内側の音 88 dB を読み取る
- 手順2:m × f = 4000 を壁の公式に入れて、壁のガード力 TL = 21 dB を出す
- 手順3:88 dB - 21 dB = 67 dB と引き算する
「内側の音を出す」から「壁の遮音量を出す」、そして「引き算する」という3段階で整理するとスムーズに解けるようになります。
計算問題を強化したい方にオススメ
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この問題理解しづらいので、もう少し砕いて説明してくださると助かります。
ご質問ありがとうございます。
解説を詳細にしたので、ご確認お願いします。
ありがとうございます。
凄く丁寧に記述されているのですんまり理解できました。
改めまして、ありがとうございます。
瞬時値
これは最高値として考えるので、√2でわって実効値にできるのでしょうか?
ご質問ありがとうございます!
結論から申し上げますと、はい、その通りです!
音波が「正弦波(サイン波)」である場合、瞬時値の式の中にある数字(振幅=最高値・ピーク値)を √2(約 1.414)で割ることで、音圧の実効値(RMS値)を求めることができます。
1. 瞬時値の式と「最高値(振幅)」の関係
問題文にある音圧の瞬時値の式:
p(t) = 0.7 sin(500 × π × t)
正弦波の基本式:
p(t) = A sin(2 × π × f × t)
この2つの式を見比べると、sin(サイン)の前にかかっている「 0.7 」が、波の「振幅 A(=波の山の高さの最大値・最高値)」に相当します。
2. なぜ実効値にするために √2 で割るのか?
音や振動はプラスとマイナスの間を絶えず行き来しているため、一瞬の最高値(0.7 Pa)だけを使って評価すると、音の物理的なエネルギーとズレが生じてしまいます。
そのため、音圧レベル(dB)を計算するときは、エネルギーを時間的にならした平均的な強さである「実効値 p」を使用するルールになっています。
綺麗な正弦波の場合、数学・物理の定義として以下の関係が常に成り立ちます。
・(実効値)=(振幅 = 最高値)/ √2
今回の問題では:
・実効値 p = 0.7 / 1.414 = 約 0.495 Pa
となり、この実効値 0.495 Pa を使って音圧レベル(dB)の計算を進めます。
ありがとうございます!
振幅=最大と自分も後から理解したので納得しました!