Acoustic design

Japanese: 音響設計 - おんきょうせっけい

This refers to acoustic architectural design. In other words, when planning and designing a building, it refers to designing the building layout, walls, windows, etc. so that external noise and noise from adjacent rooms are sufficiently reduced, and also to designing the room so that conversations can be carried out smoothly, lectures can be clearly heard, and music can be enjoyed comfortably. The study of indoor acoustics, noise, and vibration control is called architectural acoustics.

There is evidence that Greek open-air theaters and other venues were designed with acoustics in mind to ensure that audiences could hear the sound clearly, but scientific acoustic design began in the late 19th century when Wallace Clement Sabine (1868-1919) discovered the importance of reverberation time and a formula for predicting it (1895) while renovating the acoustics of an auditorium at Harvard University in the United States, and used this formula in the acoustic design of Boston Symphony Hall (completed in 1900). This concert hall is still considered one of the world's most famous halls today.

Although acoustic design should be done for any type of building, in reality it is mainly done for auditoriums such as music halls, theaters, public halls, and lecture halls, as well as broadcasting studios.

[Yoshihiro Furue]

Room Acoustic Requirements

When listening to sound in a room, the acoustic conditions required differ depending on whether it is speech or music. Therefore, the more limited the use, such as for music only or for theatrical performances, the easier it is to obtain good acoustic conditions. However, this is not so easy in halls that are often used for multiple purposes, such as public halls.

To obtain good acoustic conditions in a room, the following requirements must be met:

(1) Quiet and free from disturbing noise.

(2) There are no acoustic obstacles such as echoes, flutter echoes, booming, or dead spots, and there is no difference in how sounds are heard depending on the seat.

(3) When listening to music, it should resonate beautifully, and when listening to speech, it should be clearly audible.

These can be matched with the following noise prevention, room shape, and reverberation designs, respectively.

[Yoshihiro Furue]

Noise prevention design

Keeping a room quiet is so important that it can be said to be an issue that goes beyond acoustic design. When planning a building, it is best to first select a site with little traffic noise, factory noise, etc., and to locate the building as far away from noise sources as possible. Next, the layout of each room within the building must be carefully considered. In other words, rooms that need to be especially quiet, such as conference rooms and lecture rooms, should be planned so that they do not face noise sources as much as possible. Of course, it is also important not to place them next to machine rooms, which are noise sources within the building.

After planning in this way, the sound insulation performance that each room should have is determined according to its use, and the materials and structure of the walls and windows are decided to meet that. In doing so, the sound insulation performance (transmission loss) specific to the material is referred to in a collection of building materials, but care must be taken because the required sound insulation performance may not be achieved depending on the state of construction, and gaps that tend to form at the joints of different materials and gaps in doors, etc., can have a large effect on sound insulation even if they are small.

Additionally, noise caused by vibrations from machines or water supply and drainage pipes inside a building, or impact vibrations that occur when walking upstairs, is transmitted through structural elements such as floors, pillars, and beams, and is then radiated back into the room. This is called structure-borne noise, and can be a major problem in buildings made of reinforced concrete. To avoid this, vibration-isolating rubber and shock-absorbing materials are used. However, in cases where extremely strict acoustic conditions are required, such as in broadcasting studios, the entire room must be vibration-isolated from the building structure, making it a so-called "floating structure."

It is essential that the above indoor noise prevention measures be considered in detail at the design and planning stage, and this is also ultimately economical.

[Yoshihiro Furue]

Room shape design

Sound emitted from a sound source can be divided into two types: direct sound, which reaches the ears directly, and reflected sound, which reaches the ears after reflecting off a wall. The way in which reflected sound arrives in time and space following direct sound is determined by the shape of the room. If the time interval between direct sound and reflected sound, or between reflected sounds and reflected sounds, is too long (50 milliseconds or more), the sounds will be heard separately (echoes), and if the walls face each other in parallel, flutter echoes are likely to occur. Therefore, it is best to make the shape of the room as irregular as possible, with uneven walls that reflect (diffuse) in various directions. The larger the room, such as a public hall, the more sound diffusion is necessary. Note that rooms with concave curved surfaces are prone to sound focusing and dead spots, so they should be avoided as much as possible.

In relatively small, rectangular rooms such as conference rooms, booming is likely to occur. To avoid this, choose a room with a ratio of length, width, and height that is not a simple integer ratio such as 4:2:1 (for example, +1:2:-1), and use sound-absorbing ceilings and walls.

[Yoshihiro Furue]

Reverberation Design

When a sound is suddenly stopped in a room, the sound does not disappear immediately, but gradually weakens. This phenomenon is called reverberation. It is a composite of sounds reflected from each wall, but it is treated differently from echoes, in which each reflected sound can be clearly distinguished and heard.

The term reverberation time is used to describe the duration of the reverberation phenomenon, and is defined as the time it takes for a sound of a certain intensity to be emitted into a room and then suddenly stopped, for the sound intensity to decrease to one millionth of its original intensity (or by 60 decibels).

Reverberation time is an important factor in determining the quality of the acoustics in a room; a shorter reverberation time is better for clearly hearing speech, such as conversations, lectures, and plays; on the other hand, when listening to music, a slightly longer reverberation time is desirable, as it enriches the volume and gives the sound a "luster." The larger the room volume, the longer the reverberation time. The relationship between optimal reverberation time and room volume according to the room's use has been proposed, as shown in the figure . This figure is for a 500 Hz sound, but it is sufficient to keep the same level for sounds of other frequencies. However, for music and the like, a slightly longer reverberation time is considered to be better for low-pitched sounds.

When sound hits a wall or other object, part of the energy is absorbed as heat inside the wall, some passes through (transmitted), and the rest is reflected into the room. The ratio of this absorbed plus transmitted energy to the incident energy is called the sound absorption coefficient. Sound absorption coefficients vary depending on the material and the frequency of the sound. The measured sound absorption coefficients of various representative interior architectural materials can be found in data books. The product of the area of the interior material and its sound absorption coefficient is called the sound absorption capacity, and for objects whose area is difficult to determine, such as chairs and people, only the sound absorption capacity is measured.

In order to design a room so that it has the optimal reverberation time, interior materials should be selected according to Sabin's formula, which states that "reverberation time is proportional to the room volume and inversely proportional to the total sound absorption capacity of the room." However, since it is sometimes not possible to know the detailed sound absorption capacity of all interior materials in advance, and there is also the possibility of mistakes in construction, it is advisable to measure the reverberation time after completion and make modifications as necessary.

What sounds best is ultimately a matter of subjective human judgment. There is still much to be learned about this subjective evaluation, and it is an interesting research topic in the field of architectural acoustics.

[Yoshihiro Furue]

"Architectural Acoustics Handbook" edited by the Japan Acoustic Materials Association (1963, Gihodo Publishing)" ▽ "Noise and Vibration Control Handbook" edited by the Japan Acoustic Materials Association (1982, Gihodo Publishing)

[Reference] | Auditorium

Relationship between optimal reverberation time and room volume (Figure)
The figure shows the optimal reverberation time at 500 Hz depending on the room's purpose .

Relationship between optimal reverberation time and room volume (Figure)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

音響学的建築設計のこと。すなわち、建築物を計画、設計するに際して、外部騒音および隣室からの騒音が十分小さくなるよう建物配置や壁、窓などの設計をしたり、さらに室内で会話が円滑に行われ、講演を明瞭(めいりょう)に聴き取ることができ、あるいは音楽を心地よく鑑賞できる状態となるよう設計することをいう。なおこのような室内の音響あるいは騒音、振動の制御について研究する学問は建築音響学とよばれている。

　ギリシアの野外劇場などでも、観客によく音が聞こえるよう「音響設計」された形跡があるが、科学的音響設計は、19世紀末、セービンWallace Clement Sabine（1868―1919）がアメリカのハーバード大学の講堂の音響改修を行う際、残響時間の重要性およびその予測公式を発見し（1895）、さらにそれを用いてボストン・シンフォニー・ホール（1900完成）の音響設計を行ったことに始まる。このコンサート・ホールは現在でも世界屈指の名ホールとされている。

　本来音響設計は、どのような建物に対してもなされるべきであるが、現実には音楽堂、劇場、公会堂、講堂などのオーディトリアムや放送用スタジオなどがおもな対象とされている。

［古江嘉弘］

室内音響の要件

室内で音を聴く場合、音声であるか音楽であるかによって要求される音響条件は異なる。したがって、たとえば音楽専用とか演劇専用というように使用目的が限定されるほど、よい音響状態が得られやすいといえるが、公会堂などのように多目的に利用されることの多いホールは容易ではない。

　室内でよい音響状態を得るためには、次の要件を満たさなければならない。

(1)静穏で、じゃまな騒音がないこと。

(2)エコーecho（反響）、フラッタエコーflutter echoes（鳴き竜）、ブーミングbooming（ぶんぶんと響く現象）、デッドスポットdead spots（非常に音の弱くなる場所）などの音響障害がなく、座席の違いによる音の聞こえ方に差がないこと。

(3)音楽を聴く場合、美しく響くこと、また話声を聴く場合、明瞭に聴き取れること。

　これらはそれぞれ以下の騒音防止、室形状、残響の設計と対応させることができる。

［古江嘉弘］

騒音防止設計

室内を静穏に保つことは、音響設計以前の問題といえるほどたいせつなことである。建物を計画する場合、まず交通騒音、工場騒音などの少ない敷地を選ぶこと、騒音源からできるだけ遠くなるよう配置することが望ましい。次に建物内各室の間取りをくふうする。つまり、会議室とか講義室など、とくに静かであることが必要な室はできるだけ騒音源側に直面しないように計画する。もちろん建物内の騒音源となる機械室などに隣接させないこともたいせつである。

　このように計画したのち、各室の用途に応じて、もつべき遮音性能を定め、それを満たすよう壁や窓の材質、構造などを決定する。その際、建築材料資料集などで、材料固有の遮音性能（透過損失）を参照するが、施工の状態により所定の遮音性能が得られないこともあり、またとくに異なる材料の継ぎ目などにできやすいすきまや扉などのすきまは、たとえわずかなものであっても遮音度に大きく影響するので注意しなければならない。

　また建物内の機械とか給排水管などの振動、あるいは階上を歩くときなどに発生する衝撃振動が床、柱、梁(はり)などの構造体を伝搬してふたたび室内に放射される騒音は固体伝搬騒音とよばれ、鉄筋コンクリート造の建物などでは大きな問題となることがある。これを避けるため防振ゴムや緩衝材が使用されている。しかし放送スタジオのように非常に厳しい音響条件が要求される場合には、室全体を建物構造体と振動絶縁する、いわゆる「浮き構造」としなければならない。

　以上の室内騒音防止対策は設計計画の時点で詳細に検討しておくことが肝要であり、また結局経済的でもある。

［古江嘉弘］

室形状の設計

音源から出た音には、直接耳に到達するもの（直接音）と壁で反射したのち到達するもの（反射音）とがある。直接音に続く反射音の時間的、空間的到来の仕方は室の形状によって定まる。直接音と反射音あるいは反射音と反射音の時間間隔が長すぎると（50ミリ秒以上）音が分離して聞こえ（エコー）、また壁面が平行に向かい合っているとフラッタエコーが現れやすい。したがって室の形状はなるべく不整形なものとし、壁面に凹凸をつけ、いろいろな方向に反射（拡散）させるのがよい。公会堂のように大きな室ほど音の拡散が必要である。なお凹曲面をもつ室は音の焦点ができやすく、またデッドスポットをつくりやすいので、なるべく避けたほうがよい。

　会議室のような比較的小さく、直方体の室ではブーミング現象が生じやすい。これを避けるため、室の縦、横、高さの寸法比を、たとえば4：2：1のような簡単な整数比とならないように選び（たとえば＋1：2：－1など）、さらに天井や壁を吸音性にするとよい。

［古江嘉弘］

残響設計

室内で音を急に止めても、その音はすぐには消えないで、徐々に弱まっていく。この現象を残響とよぶ。これは各壁面で反射された音が合成されたものであるが、個々の反射音が明瞭に識別されて聞こえる反響（エコー）とは区別して扱われる。

　残響現象の長さを表すため残響時間という術語が用いられる。これは、室内に一定の強さの音を出し続けたのち、急に音を止め、その音の強さが初めの100万分の1にまで（または60デシベルだけ）小さくなるまでの時間であると定義されている。

　残響時間は室内の音響の良否を決めるたいせつな要素であり、会話、講演、演劇など主として音声を明瞭に聴き取るためには短めのほうがよいし、一方、音楽を聴く場合には音量を豊かにし、音に「つや」を生ずるので多少長めが望ましい。また室容積が大きいほど長いほうがよい。室の用途に応じた最適残響時間と室容積との関係が図のように提案されている。この図は500ヘルツの音に対するものであるが、他の周波数の音に対してもこれと同程度に保てばよい。ただ音楽などに対しては低音でいくぶん長めがよいとされている。

　音が壁などに当たると、そのエネルギーの一部は壁の中で熱となって吸収され、また一部は通り抜け（透過）、残りが室内側に反射される。この吸収プラス透過エネルギーの入射エネルギーに対する比率は吸音率とよばれる。吸音率は材料によって、また音の周波数によっても異なる。各種の代表的な建築内装材について測定された吸音率はデータブックなどで知ることができる。内装材の面積とその吸音率との積を吸音力とよび、椅子(いす)や人物などのように面積が確定しにくいものに対しては吸音力のみが測定されている。

　室が最適残響時間となるよう設計するためには、「残響時間は室容積に比例し、室内全吸音力に反比例する」というセービンの公式に従って内装材を選べばよい。ただ、あらかじめすべての内装材に対する吸音力について詳細にはわからない場合もあるし、施工上の手違いもありうるため、完成後、残響時間を実測し、必要に応じて改修することが望ましい。

　どんな音が最良であるのかは、最終的には人間の主観的判断によらねばならない。この主観評価に関してはまだ解明されねばならないことが多く残されており、建築音響学の分野における興味ある研究テーマの一つとなっている。

［古江嘉弘］

『日本音響材料協会編『建築音響工学ハンドブック』（1963・技報堂出版）』▽『日本音響材料協会編『騒音・振動対策ハンドブック』（1982・技報堂出版）』

[参照項目] | オーディトリアム

最適残響時間と室容積との関係〔図〕

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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