部屋の音響特性を劇的に改善する~小さな部屋でスピーカーが生きないのはなぜか

 「いい音を出すにには部屋が重要」「部屋が良くないと、どんなに良いスピーカもその性能を発揮できない」・・

 よく聞かれるフレーズだが、具体的に何が課題でどうしたら良くなるのか、わからない人がほとんどだと思う。また、スピーカーの再生音に不満があって、スピーカーの設置場所や設置方法を試行錯誤している人も多いようだ。

 そこで今回は、何が音を悪くしているのか、その原因を詳しく調べ、部屋の音響をできるだけ損なわずに改善できる方法をご紹介する。そして最後に、スピーカーの最適な設置方法をご提案する。

 

定在波が音を悪くしている

 室内の音を悪くする大きな要因に「定在波」がある。これは平行な面の間で音波が反射して往復を繰り返すうちに、特定の周波数が増幅される現象をいう。一般の室内ではこれが最も音を悪くするので、この対策がメインになる。

 

定在波の周波数

 定在波ができることを「定在波が立つ」という。

 定在波の周波数(Hz)は、音速/(2×波長)の次数倍になる。概ね、170/部屋の内寸(m)の整数倍と考えて差し支えない。この計算で出る基本の周波数を1次とすると、1次とその整数倍(2次、3次、4次・・)で出る。

 室内の壁面は完全な剛体でないため、実際に生じる定在波は計算通りにならず、10%前後の誤差を生じる。

 

定在波の大きさ

 定在波は平行な2面があればどこでも立つが、増幅される音の大きさは部屋の吸音によって左右される。部屋に絨毯やカーテンがあると、音が反射を繰り返す際に吸音されて振幅が小さくなり目立たない。

 私の経験では、次の傾向がある。

・面間距離が短いほど目立つ。一般的な6畳間では、距離の短い面間(短辺や床と天井間)の1次と2次が目立つ場合が多い。小さな空間(6畳未満の部屋やお風呂場など)では、すべての方向の定在波が目立つ。
・3次以降はカーテンや絨毯などで吸音されて目立たない場合が多い。
・距離の長い面間の定在波は目立たない(室内のカーテンや絨毯などで吸音されやすい為)。
・床に絨毯などの敷物がある場合、床と天井間の定在波は目立たない。
・床が畳の和室ではどの方向の定在波も目立たない。 

 

定在波の「腹」と「節」

 定在波の振動の形を「モード」という。1次の周波数で1次モード、2次の周波数で2次モード・・という形で出来る。定在波の振動のモードには、「腹」と「節」がある。

 図は閉じた円柱の中の1次、2次、3次モードの「音圧分布」。壁際やコーナーは、どの次数でも必ず腹になることがわかる(ネット上でよくみる定在波の図は、音圧分布でないことに注意)。

 このようなモードは、天井と床の間でも同じように出来る。

 定在波の腹にスピーカーを置くと、定在波が最も効率的に増幅される。逆に、定在波の節に置いた場合は増幅されにくい。

(当方の室内実験では、スピーカーを節に置いた場合と腹に置いた場合では、発生する定在波の最大音圧が22dBも違った)

 部屋の4隅は、上下左右前後のすべての面間、すべての次数で「腹」になる

 

 

定在波が出来るとどうなるか

 定在波が立つと、次のような問題が起こる。

1.音に方向感がなくなる

 場所によって低音が良く聞こえたり、ほとんど聞こえない。一定の周波数の音を出した状態で自分が移動すると、これがよくわかる。この場合、音に方向感がなく、音がどこから出ているのか、まるでわからない。

2.過渡応答が悪くなる(音がゆっくり成長し、ゆっくり減衰する)

 低音が「ボワンボワン」響くようになる。「ブーミー」ともいう。

3.不自然な付帯音がついて音が汚れる

 手をたたくと、「パン!」ではなく、「ベチ!」とか、妙な音に聞こえる。「フラッターエコー」ともいう。響きの良い室内や、風呂場で観察できる。

 

スピーカーを壁に寄せると低音がブーミーになるのはなぜか

 スピーカーを部屋の壁や床に寄せると低音が増える。これは2つの理由がある。

 一つは、後ろや下に放射されていた低音が反射して前に出るため。
 もう一つは、定在波が増幅されるため。

 上記したように、壁や床付近は定在波の「腹」になるので、定在波がよく増幅されてしまう。

 

小さい部屋に大きなスピーカーを入れてはいけない理由

 定在波が立つ室内では、低音の量と定在波がトレードオフの関係になっている。

 つまりスピーカーのセッティングとは、定在波で起こるブーミーさと、低音の量感との間で妥協点を探す作業に他ならない。

 小さな部屋に大きいスピーカーを入れてしまうと、そのようなセッティングの自由度がほとんどない。スピーカーは壁際か、部屋の隅に寄せて置くしかなく、定在波は出るに任せることになる。これが、

「小さな部屋でに大きなスピーカを入れても実力を発揮できない」

理由だ。

 

吸音材で定在波を無くすと残響も無くなる

 定在波の影響を改善する方法は2つある。一つは部屋から平行な面を無くすこと。もう一つは吸音することだ。

 平行な面を無くす方法では、傾ける面のサイズが小さかったり、角度が浅すぎると効果がない。このサイズと角度は、定在波の波長で決まる。

 例えば6畳間の短辺で決まる1次モードは65Hz。波長に換算すると5mになる。この半分にも満たない物体、例えば絵画を傾斜して設置したり、小さな凹凸を作る拡散パネルを追加しても、効果が無い。

 吸音材は平行な面の片側だけ貼ると効果があるが、無暗に吸音面積を増やすと部屋の残響が減ってつまらない音になる。音楽を楽しむためには、残響時間も大切な要素になる。

 

自動音場調整で定在波は改善できない

 定在波でできる特性の山や谷を、イコライジングやアンプの自動音場調整機能を使って、見た目だけフラットにしても意味ないばかりか、かえって特性を歪めてしまう[2]

 マイクロフォンがちょうど定在波の節に置かれた場合、その周波数の音を不要に持ち上げてしまうことが容易に想像つく。

 

残響が犠牲にならない吸音方法

 部屋の残響を犠牲にせず、定在波を抑える方法はないものか。その答えは、上でご紹介した、

部屋の隅は、上下左右前後のすべての面間、すべての次数で「腹」になる

の中にある。部屋の隅が定在波の腹になるのなら、そこに吸音材を置けば、すべての定在波を抑えることが可能だ。

 隅の次に効果があるのが「コーナー」。つまり定在波の対策は、

部屋の隅やコーナーに沿って吸音材の塊を設置するのがベスト

になる。これにより、室内の残響をできるだけ犠牲にせず定在波を抑えることができる。

 

模型実験

 

実験1.四隅のみ吸音

 隅に吸音材を設置するだけで本当に効果があるのだろうか。これを検証するため、ガラス水槽+ガラス蓋を使った模型実験をしてみた。

 ガラス水槽の上下4隅(8ヵ所)に角切りした吸音材(30×30×20t 程度のウレタンフォーム)を設置。

 外部からスピーカーで間接的に音圧加振し、内部に発生する定在波をICレコーダーで録音し解析する。ICレコーダーの受音部を隅に置くことで、すべての定在波を漏れなく観測できる。

 加振音源はホワイトノイズを使用。

 

 実験結果。3つの矢印は水槽の寸法で決まる定在波の基本波(515Hz,698Hz,1016Hz)。なのでこれ以下のピークはすべてケース板材の共振、これ以後に見える無数のピークは、主に定在波(基本波の整数倍)。

 オレンジの線は吸音無し。隅のみの吸音で基本波が3つとも 5dB以上減衰しているほか、他のピークについても多くが減衰していることがわかる。

 

実験2.上下のコーナーのみ吸音

 次に、吸音材(1片=30×240×20t )をコーナーの上下に沿って8本設置してみた。

 

 実験結果。基本波から高周波にかけてほとんどの山が消滅している。

 この結果を違う寸法のものに適用する場合は、波長の比率を同じにすればよい。以上の実験は1次定在波(515Hz)の波長 340/515=0.66m に対し厚み20mmの吸音材を使ったので、20/660=1/33 、つまり定在波の波長の1/33の厚みの吸音材を使えばよい(340は音速)。

 吸音材はモノによって性能が違う。実際は、定在波の波長の1/20~1/33の範囲を目安に選ぶ(一次定在波の周波数で吸音率0.7が目標)。例えば6畳間(3.5m)の場合は、360/(170/3.5)×(1/33)≒0.2m以上の厚みの吸音材が必要という風に計算できる。

 つまり20cm以上の膨らみを持った長細い吸音材の塊を、コーナー4カ所の上下に沿って床から天井まで設置すれば、模型実験と同じ結果が得られる。吸音の量は、厚みを変えずに施工面積で調整する。

 

 創造の館リスニングルーム[1]では上下のコーナーに沿って穴あき石膏ボード(低周波吸音器)を配置し、定在波の防止に取り組んだ。

 これにより、傾斜面などの難しい造作をしなくてもいい音で聴けるリスニングルームが作れる。

 

 

吸音材は測定しながら適材適所、必要最小限に

 

 残響時間を犠牲にしないためには、設置する吸音材は少ないほど良い。これは聴感に頼った試行錯誤ではなく、測定で確認するのが望ましい。

 やり方は、スピーカーを部屋の隅に置いてピンクノイズで音響加振し、別の隅にマイクやICレコーダーを置いて測定するだけ。

teizaiha1 左はピンクノイズを使った定在波の測定例。ソフトはWaveSpectra(フリーソフト)を使用。

 2つピークがあるが、ちょうど整数倍になっている。75Hzが1次、次のピークが2次の定在波と読み取れる。3倍は励振されていない。

 

 吸音材を設置する前にこのデータを取り、設置後と比較して効果を確認する。

 吸音材で消えない山は、共振が原因の可能性が高い。原因を調べて制振材などで対策する。

 

まとめ~こうすれば室内音響を改善できる!

1.問題の定在波を把握する。
   部屋の隅にスピーカーを置いてピンクノイズで加振し、別の隅にマイクを置いて問題の定在波の周波数を調べる。

2.20~30cm程度の膨らみを持った長細い吸音材の塊をコーナー4カ所の上下に沿って床から天井まで設置する。

3.再度測定して、定在波の周波数がどう変化したか見る。山が消えない場合は吸音材を増やし、消えてしまった場合は吸音材を減らして最小の量を探る。

 以上の対策が終われば、スピーカーの性能を引き出すためのセッティングにトライできる。

 定在波さえ抑えてしまえば、室内音響で難しい課題はあまり無い。反射防止や音の拡散と称して細かいものをゴチャゴチャ設置しても邪魔になるだけで結果に大差ない。

 

吸音材の選び方

 できるだけ低コストで厚みのあるものを探してほしい。私が調べた結果をご紹介する。

1.吸音材

グラスウール
チップウレタン
布団の綿

2.被覆材

 壁の色に合わせるようにする。薄い布やビニールで覆っても吸音の性能には影響しない。

抱き枕カバー
カーペット用袋

3.止め

 石膏ボードには虫ピンで固定できる。

虫ピン

 

 今あるもので、使えるものは最大限活用する。例えば、ベッドやクッションなど吸音に使えそうなものが既にある場合、まずはそれらを隅に寄せる。クローゼットがあって薄手の扉で仕切られている場合は、その中に使っていない布団や衣類などを出来る限り放り込むといい。

 薄手の吸音材で出来た吸音パネルは効果がないばかりか、吸音しなくてよい高周波を吸収して残響時間を減らすだけになるので注意。

 

スピーカーの最適な位置

 定在波をある程度対策できたらスピーカーのセッティングを見直す。図は、スピーカーとリスニングポイント(RP)の最適位置。

 壁面から1/4W~(1/4+1/8)W の白いエリア(ホワイトゾーン)は定在波1次と2次の節ではなく腹でもない、両方が程々に小さくなるエリア。ここにスピーカーの「音源」を置く。

 デッドゾーンは50~100Hzの低音が節になる(聞こえない)エリアなので、RPはこれを避けてスピーカーから2m以上離れる。

 さらに後ろの反射音との干渉を小さくするために後ろの壁から1/4L以上離れる

 

 スピーカーの高さはツイーターを耳の高さに合わせ、スピーカー背後の壁との距離で低音の量感を調整する。

 6畳間でこの配置がギリギリ成立する。それ以下の小さな部屋では、この配置は諦めてデッドゾーンの内側にRPを配置し、ニアフィールドにするのがよい。

※:1/4L離れたときの反射波は、直接音に対し4.4dB小さい。背後の反射音が大きいと音像がボヤける。よりはっきりした音像が欲しい場合はもっと離れるか、それが出来ない場合は後背の壁面に吸音材を貼るしかない。

 

<参考購入先>
抱き枕 コーナーと隅の吸音に使える抱き枕
布団のワタ 抱き枕の中身がビーズの場合はこれに入れ替えてください
ソニーICD-UX マイクロフォンの特性がフラットで測定に向くICレコーダー。1つ持っていると便利です

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1.新築リスニングルームの設計~お金も空間も使わず夢の部屋を実現する
2.リスニングルームの改善~自動音場補正は役に立たない

<参考文献>
3.リスニングルームの設計と製作例 加銅鉄平著 設計バイブル。12畳で0.50Sec、20畳で0.55Secが一つの指針です