体育館で手をたたくと、音がしばらく残ることがあります。これは一つの壁から一回だけ返る音を待っているのとは違い、床や壁、天井の間を何度も反射した音が重なりながら弱くなる現象です。部屋の響きを比べるときは、音源から壁までの往復距離だけでなく、部屋の体積と音の吸収を見ます。
音が出なくなった後を調べる
音源を止めても、すでに部屋へ出た音はただちに消えるわけではありません。反射を繰り返すうちに壁面などでエネルギーの一部が吸収され、空気中でも減衰して、次第に聞き取りにくくなります。この残り方を比べる量が残響時間です。正式には音のレベルが六十dB下がるまでの時間を使いますが、本稿では同じ判定基準で測った時間として扱います。
「長く響いたから音源が強かった」とはすぐには言えません。音源の強さをそろえても、部屋の条件で減り方が変わるからです。また、残響時間が短いことは、音が空気を進む速さが速いという意味ではありません。移動の速さとエネルギーが減る速さは、別々の問いです。
壁の面積を、そのまま足すのではない
部屋の表面には、音をよく反射する部分と、吸収しやすい部分があります。そこで、面積に吸収の割合を掛けた値を「吸音面積」として足し合わせる模型を考えます。面積十平方mの材料が、当たった音のエネルギーの二割を吸収するとき、吸音面積は十×〇・二＝二平方mに相当します。材料が実際に二平方mに縮むという意味ではありません。
二種類の材料を比べるとき、大きな面積を使った方が必ず吸音面積も大きいわけではありません。五平方mでも吸収率が〇・八なら四平方m相当です。十平方mで〇・二の材料より大きくなります。面積と割合を別々に書き、最後に掛ける。水溶液の濃さなどで練習した割合の考え方が、音の資料にも使えます。
同じ体積なら、吸音面積が大きい方が短い
音が十分にいろいろな方向へ広がる部屋の近似として、残響時間が「部屋の体積÷吸音面積」に比例する模型を使います。部屋の体積だけが二倍なら時間も二倍、吸音面積だけが二倍なら時間は半分です。両方が二倍なら比は変わりません。部屋を変えた問題では、どちらが変わったのかを一度に決めず、分子と分母を分けて追います。
この関係はどんな部屋でも厳密に成り立つ法則ではありません。吸収が非常に大きい部屋や音の偏りが大きい場所では、より詳しい扱いが必要です。音の高さによって材料の吸収率も変わります。例題では、同じ高さの音で、この近似が使える条件をそろえたものとします。模型が与えられた問題では、その有効範囲も資料の一部です。
例題1 カーテンで変わる吸音面積
ある部屋の体積は三百立方m、吸音面積は二十平方mで、残響時間は二・四秒でした。同じ部屋で材料を変更し、吸音面積を三十平方mに増やしました。残響時間が体積に比例し吸音面積に反比例するなら、変更後は何秒ですか。
答え・解説： 二・四×二十÷三十＝一・六秒です。体積は変わっていないので、吸音面積の変化だけを使います。三十÷二十を掛けて三・六秒にすると、吸収しやすくなったのに長く残る答えになり、条件と逆です。図の棒も、吸音面積が増えた側で残響時間が短くなります。
例題2 体積も変わる二つの部屋
部屋Aは体積二百立方m、吸音面積二十五平方mで、残響時間は一・六秒です。部屋Bは体積四百立方m、吸音面積四十平方mです。同じ比例関係が使えるとき、Bの残響時間を求めてください。
答え・解説： 一・六×四百÷二百×二十五÷四十＝二秒です。体積が二倍になる影響と、吸音面積が一・六倍になる影響を順に掛けています。Aの体積÷吸音面積は八、Bは十なので、時間は十÷八＝一・二五倍という確かめ方もできます。
よく響く部屋が、いつも使いやすいとは限らない
音楽の響きを楽しみたい場面と、一語ずつ話を聞き取りたい場面では、望ましい条件が違います。前の言葉の音が長く残り、次の言葉と重なると聞き取りにくくなる場合があります。ただ「響きが長いから優れている」と評価しないことも大切です。問題で聞かれる残響時間と、利用目的に合うかどうかは分けましょう。
反響の往復時間を扱う問題なら、距離を音速で割ります。一方、今回の資料は部屋全体の吸収による弱まり方です。同じ「音が残る」という言葉でも、図に一本の往復経路があるのか、多数の反射と吸収が示されているのかを見ると、使う関係を選べます。
人が入る前後で何が変わるか
同じホールでも、空席の状態と人が入った状態で音の残り方が違う場合があります。人や衣服なども音の吸収に関係するためです。部屋の寸法が変わっていないから条件も完全に同じ、とは考えないようにしましょう。比較実験を計画するなら、座席やカーテンの状態に加え、在室人数も記録する項目です。残響の測定では、音源を置く位置や受音する位置による違いもありえます。代表値を求める手順と、一か所でたまたま聞こえた印象を区別します。