音響工学に関する学生実験教材の開発
毛利 千里*

近藤 章人**

矢木 正和***Development of Teaching Material for an Experimentin Acoustic Engineering
Chisato MOURI Akito KONDOH Masakazu YAGI

Abstract
Acoustic engineering seems to be one of interesting fields for students majoring inelectronics. However, no experiments the dealing with the fundamentals of the field
have been included in the program of our department. The purpose of this study isto development teaching material for an experiment “Acoustic measurements of aspeaker system”. By carrying out this experiment, students can observe variousacoustic properties of the speaker system. As a result, this experiment can deepen
their understanding of acoustic engineering.

Keywords : frequency characteristic, directional characteristics, diffraction phenomenon

1.

はじめに実験として、実験内容を音響工学の講義を受けていな人間にとって最も基本となるコミュニケーションのくても理解できるような範囲に絞り、基本的な音響測方法は音である。音は、会話や音楽など様々な形態で定が体験できる学生実験教材の開発を検討した。

利用される。学生は音楽に興味を持ちやすく、音楽の開発を行ううえで、JIS 規格に記載されている音響再生源となるスピーカなどのオーディオ機器にも興味実験の方法を参考にしたところ、正確な測定を行うたを持ちやすいと考えられる。それゆえに、オーディオめにいくつかの問題点が見つかった。それらを解決し、機器等の研究分野である音響工学は、学生が興味を持より JIS 規格に近い測定方法となるように工夫を行っちやすい分野のひとつであると考えられる。本校の電た。また、この学生実験が効果的な内容となるように、子工学科でもこれまで音響工学の講義が行われていた。 実験書を作成した。実験書内の説明は、学生が実験内
しかし、Ｈ22 年度は音響工学の講義が開講されず、新容の理解をする上で手助けとなるようなものとなるよ

しいカリキュラム（電子システム工学科）では、授業うに記載している。

そのものがない予定である。本校には第一学課棟 4 階

ここでは、今回開発した学生実験教材について、その音響工学実験室に、無響室という音響実験に適したの構成や内容、使用した結果を報告する。

実験室がある。そこで本校電子工学科 5 年の工学
2.
*

2.1 実験システム

香川高等専門学校 技術教育支援センター
詫間キャンパス技術教育支援室**

概要
本実験では、まずテキストを用いてスピーカの基本

九州工業大学 情報工学部的な原理や性質として、音を発生原理やスピーカユニ*** 香川高等専門学校

ット、フィルタ回路を含めたスピーカの構造、スピー詫間キャンパス電子システム工学科

カの代表的な特性などについて説明を行う。その後、

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を 1[W]とした測定結果となっている。
2.2.2

指向特性

音圧レベルを測定するマイクを、スピーカの正面軸の延長線上に設置し、その直線を基準軸とする。スピーカへの入力電力を一定にした状態で、基準軸に対するスピーカの正面軸の角度と周波数の変化によって、音圧レベルがどのように変化するか表したものを指向特性という。指向特性にはいくつか種類があり、スピーカの入力電力と、周波数を一定にした状態で、基準
図 1 実験システムの配置図

軸に対するスピーカの正面軸の角度を連続的に変化させ、角度に対する音圧レベルの変化を 360°の極座標

音響の基礎的特性である周波数特性と指向特性を測定グラフにまとめたものを指向性パターンという。図 3する。の右側のグラフは、JIS 規格「音響システム用スピー測定は JIS 規格「音響システム用スピーカ」で定めカ」の指向性パターンの測定例である。スピーカへのられている方法をもとに行う[1]。
マイクの設置場所はス

入力電力 1[W]、周波数 5[kHz]の指向性パターンの測

ピーカの放射面から 1 メートルとし（図 1）、スピーカ定結果となっている。

への入力電圧は 1[W]とする。測定環境は部屋の周囲の壁が反射性であれば、スピーカだけでなく部屋の特性をも含めて測定することになるため、測定室ごとにデータが異なり正確な特性が測定できない。よって測定場所には、周囲からの反射が全くない無響室を使用する。測定者は実験に影響を与えることがないように無響室外で測定を行う。
2.2 測定する特性
2.2.1

周波数特性

スピーカへの入力電力を一定にした状態で、周波数を変化させた時、音圧レベルがどのように変化するか表したものを周波数特性という。横軸に周波数[Hz]、縦軸に音圧レベル[dB]の目盛りを取ったグラフで表される。図 2 は、JIS 規格「音響システム用スピーカ」
図 3 指向性パターンのグラフの周波数特性の測定例である。スピーカへの入力電力

図 2 周波数特性と指向性パターンのグラフ

132毛利千里

3.

他 : 音響工学に関する学生実験教材の開発

システムの構成

る。種類は 3 種あり、それぞれ、A 特性（La）、C 特

3.1 使用する装置

性（Lc）、平たん特性（Lp）という。A 特性は、人間

この実験では発振器、周波数カウンタ、減衰器、アの聴覚特性に近似するために考案された特性で、騒音ンプ、マルチメータ、騒音計を使用してスピーカの特を測定する際に用いられる。C 特性は、A 特性と比べ性を測定する。発振器、周波数カウンタ、減衰器、マて比較的平たんな特性をもっていて、衝撃性の騒音をルチメータは一般的な実験に使用されているものを用計測するときなどに用いられる。平たん特性は、C 特い、アンプ、騒音計については次項で説明する。

性より更に広い周波数範囲にわたり平たんな特性を持スピーカは周波数特性と指向特性を測定しやすいよっており、音圧レベルの測定に用いられる。本実験では、音圧レベルの測定を行うため、平たん特性（Lp）う改造を行った。

を用いる。
3.2 アンプ
3.4 スピーカ

本実験では、スピーカへの入力電力を調節する役割

本実験の試料として ONKYO D-66RX のスピーカとして、可変抵抗減衰器とアンプを用いる。アンプは、を用いる。表 2 に定格を示す。

Sansui AU-D707X DECADE を用いる。使用する際のスピーカには低音域、中音域、高音域の再生周波数

注意事項は以下の通りである。
VOLUME と示されているつまみの値を 0[dB]、減帯域をそれぞれ受け持つスピーカユニットと呼ばれる衰器の値を 10[dB]とした状態では、アンプへの入力電ものが備えられている。低音域からそれぞれウーファ

圧は 700[mV]までとして、出力電圧が 15[V]を超えなー、ミッドレンジ、トゥイーターと呼ばれる。また、

いように使用する。これを超えると、アンプの保護回

各スピーカユニットが受け持つ周波数帯域に電気信号路が作動したり、アンプ自身が壊れたりしてしまうのを分割する働きを持つ回路であるフィルタ回路が備えでアンプの値、減衰器の値、及びアンプへの入出力電られている。
実際のスピーカでは、このすべてを同時に使用する

圧には十分に配慮するようにする。

フルシステムが基本となっているが、今回の実験では、保護回路が作動しない範囲では、入力電圧に比例し各スピーカユニット、及びフィルタ回路の有無によるた出力電圧を取り出すことができる。

特性の変化を比較するため、フルシステム以外に、フ3.3 騒音計

ィルタ回路を通した場合の各スピーカユニットとフィルタ回路を通さない各スピーカユニットをそれぞれ個音圧を測定する機器として、本実験では騒音計
RION NL-15 を用いる。表 1 に定格を示す。

別で測定できるように、図 4 のように切り替え回路を騒音計には周波数補正回路というものが備えられていスピーカ裏に設置した。切り替え回路は図 5 のようにる。これは、騒音計で測定する際に、人間の聴覚特性なっており、①はフィルタ回路の有無の切り替えを行を考慮した『聴いた感じに補正する』ための回路であう。フィルタ回路有の状態の時に③のスイッチで各ス

表 1 RION NL-15 の定格

表 2 ONKYO D-66RX の定格

図 4 スピーカ裏のスイッチ

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図 5 スピーカ内のシステム
ピーカユニットとフルシステムの切り替えを行い、②及びスピーカと騒音計のマイクの中間地点に木製の壁でフルシステムの ON、OFF の切り替えを行う。フィ（80[cm]×90[cm]×1[cm]）を設置した場合のフルシ

ルタ回路無に切り替えた場合、④で各スピーカユニッステムの計 8 パターンについて行う。スピーカへの入トの切り替えを行う。

力電力は 1[W]として、周波数に対する音圧レベルを測定する。測定する周波数は、スピーカと騒音計の両方4.の使用周波数範囲を満足する値である 30[Hz]から実験方法

4.1 配置・結線12.5[kHz]の範囲とする。各パターンについて各周波数スピーカ、及び音圧を測定する騒音計のマイク部分に対する音圧レベルの値を周波数特性測定データシーは無響室内に、その他の測定機器は無響室外に設置すトに記録する。

る。無響室内では回転盤上にスピーカを設置し、スピ指向特性の測定は、フルシステムの状態で入力電力ーカの正面軸の延長線上でスピーカの放射面から 1 メを 1[W]として 100[Hz]、1[kHz]、10[kHz]について測ートルの地点に騒音計のマイクを設置する。このとき定を行う。各周波数についてスピーカの正面軸の角度の正面軸を基準軸とする。配置が完了したら、図 6 のを 15 度ずつ回転させて、各角度に対する音圧レベルをように結線を行う。

測定する。
各周波数について各角度に対する音圧レベルの値を4.2 特性測定

指向特性測定データシートに記録する。

周波数特性の測定は、フィルタ回路無のウーファー、ミッドレンジ、トゥイーターとフィルタ回路有のウー

5.

ファー、ミッドレンジ、トゥイーターとフルシステム、5.1 周波数特性実験結果・検討
図 7 は、フィルタ回路有、及び無のウーファーの測定結果である。このグラフから、ウーファーのフィルタ回路のカットオフ周波数は 600[Hz]付近であることが確認できる。図 8、図 9 は、ミッドレンジ及びトゥイーターの場合の測定結果である。これらよりミッドレンジのフィルタ回路の低域側のカットオフ周波数は、300～600[Hz]付近、高域側のカットオフ周波数は1500[Hz]～3000[Hz]付近で、トゥイーターのフィルタ回路のカットオフ周波数は 2000～3000[Hz]付近である。図 10 は、フィルタ回路がある場合の各スピーカユニットとフルシステムの測定結果である。フルシステ
ムでは低域から高域で比較的平坦な特性を得ることができている。これよりフィルタ回路は各スピーカユニ
図 6 結線図

ットの再生周波数を制限しているが、スピーカユニ

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他 : 音響工学に関する学生実験教材の開発

図 7 フィルタ回路有無の比較（ウーファー）

図 11 フルシステムと壁有フルシステム

図 8 フィルタ回路有無の比較（ミッドレンジ）
図 12 指向特性パターン
ット同時に使用することでと最終的には平坦な特性となるように設計でされていることがわかる。それぞれのスピーカユニットの受け持つ再生周波数帯域の移り変わりの周波数であるクロスオーバー周波数は、グラフから 500[Hz]、3000[Hz]付近であることを読み取ることができ、これはスピーカの定格と一致している。
図 11 は壁がある場合とない場合のフルシステムの測定結果である。グラフから 300[Hz]までは音圧レベ図 9 フィルタ回路有無の比較（トゥイーター）

ルは同じ値を記録しているが、周波数が高くなるにつれて壁がある場合のフルシステムの音圧レベルが小さくなっていることが確認できる。これより周波数が低いと音は回折しやすく、高くなると回折しにくくなることがわかる。
5.2 指向特性
図 12 はフルシステムにおける 100[Hz]、1[kHz]、10[kHz]での指向特性の測定結果である。100[Hz]では、スピーカの角度を変化させても音圧レベルに大きな変化はない。周波数を 1[kHz]にすると、60～300°の範囲で音圧レベルが低下している。さらに、10[kHz]とす

図 10 フィルタ回路有の各ユニットとフルシステム

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ると基準面（0°）以外で音圧レベルの低下があり、さきほどより顕著に現れていることがわかる。これより周波数による指向特性の変化を確認できる。
5.3 検討事項
周波数特性からフィルタ回路の役割、指向特性から周波数と音の回折現象の関係が理解できる。これらよりスピーカのシステムの動作や各部の働き、音の性質などを学生に考察させる。また、スピーカについて調査できるよう以下のような検討事項を用意した。
図 13 以前から音響工学に興味がありましたか？

・今回使用したスピーカの方式（バスレフ方式）とは具体的にどのような方式か調べよ。
・周波数特性のフィルタ回路無、及び有の各スピーカユニットの測定結果を比較し、フィルタ回路の役割について説明せよ。
・壁が有、無の場合のフルシステムの測定結果と指向特性の測定結果から、周波数と音の回折現象の関係について説明せよ。
この検討事項を通じて、スピーカや音の性質について理解できると考えている。
6.

図 14 実験によって音響工学に興味が深まりましたか？

アンケート結果開発した実験システムを平成 23 年度の電子工学科5年（41 人）の工学実験で使用した。学生への教育効果や今後の指針を得るために実験後、アンケートを実施した。
図 13 より 29 人もの学生が音響工学に興味があり、興味がなかった学生は 12 人であった。半数以上の学生が音響工学の講義を受講しなくても興味を抱いていることがわかる。
図 14 は実験によって音響工学への興味が深まったかという質問の回答結果である。深まったと回答した
学生は 37 人で深まらなかった学生は 4 人と 90％もの

図 15 実験によってスピーカの構造や基本的性質を理解学生が興味を持つことができている。

できましたか？

図 15 は理解度に対する質問である。理解できた学生は 33 人で理解できなかった学生は 8 人であった。
80％以上の学生が理解できていることがわかる。
図 16 より学生は主にスピーカの構造や特性、測定方法に興味を持ったことがわかった。その他自由記入欄
では無響室に興味を持ったという回答があった。
また、感想として「わかりやすかった」や「自分でスピーカを作りたい」など音響工学に対する理解や興味が深まっていることが確認できた。
これらのことより、音響工学に関する知識の有無に
図 16 特に興味を持った内容を教えてください

かかわらず、大半の学生が音響工学に対しての興味や理解を深めることができていると考えられる。

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7.

他 : 音響工学に関する学生実験教材の開発

まとめ
学生実験「スピーカの特性測定」は音響工学の講義を受講していない学生でも理解できる教材として準備された。この実験の特徴は以下の通りである。
・JIS 規格に記載されている音響実験の方法に基づいて開発した。
・フィルタ回路有、及び無の各スピーカユニット、及びフルシステムの周波数特性の測定結果を比較することで、フィルタ回路の役割を理解できる。また、フルシステムと壁有フルシステムの測定結果の比較や指向特性から、音の回折現象を実感できる。
・検討事項からスピーカのシステムの動作や各部の働き、音の性質などを学生に考えさせることができる。
・実験書では、試料となるスピーカの原理や、実験装置の説明、注意点等、学生が実験内容の理解をする上で手助けとなるようなものとなるように記載している。
実際に学生実験で使用し、アンケート結果から音響工学についての知識がなくてもスピーカや音の特性が理解できていることが確認できた。これらより今回開発した実験教材によって音響工学に対する教育効果があると考えられる。
Ｈ24 年度以降も電工学実験で使用し、更なる教育効果を得るために改良していく予定である。本実験によりこの実験を通して音響工学に興味を持つきっかけとなればと期待している。
参考文献[1]JIS C 5532 ，音響システム用スピーカ，日本工業標準調査会，1994．
[2]山本武夫，スピーカ・システム，ラジオ技術社，1982.
[3]鈴木昭裕・津曲健仁，音響測定技術書，翔文社，2006.

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