平成29年度 公害防止管理者 騒音・振動概論 問14を解説｜音の強さは1平方メートルあたりのワット

平成29年度 騒音・振動概論 問14は、音のエネルギーにまつわる量と単位記号の対応を確かめる問題です。五つ並んだ記号から正しい一つを選びます。

この問題のポイント

音の分野には、エネルギーを扱う量が何種類も出てきます。音源が毎秒出しているエネルギーの総量、その一部が空間のある断面を通り抜ける割合、空気中にたまっているエネルギーの密度、そして圧力の変動。どれも「音の大きさ」と口では言えてしまうため、単位記号を並べられると途端に見分けがつかなくなります。ここでの判別は、その量が面積で割ってあるのか、体積で割ってあるのか、それとも時間で割ってあるのかという一点に尽きます。ワット（W）はすでに1秒あたりのエネルギーですから時間の割り算は済んでおり、あとは広がりで割るかどうかだけが残ります。引っかけの核心は、ジュール（J）を使った記号を混ぜてある点です。ジュールは時間の情報を持たないため、いくら面積や体積で割っても流れの速さを表す量にはなりません。

※ 問題文そのものは、産業環境管理協会が公開している公式サイトで確認できます。

正解：選択肢(2)（正しい記述）

各選択肢の正誤

選択肢(2)のポイント（ここが正しい）

音の強さは、空間に仮想の窓を1平方メートルぶん置いたとき、そこを1秒間に通り抜ける音のエネルギーとして定義されます。エネルギーを時間で割った量がワットですから、それをさらに面積で割ればワット毎平方メートルという組立てになります。流れの密度を表す量には、必ず時間と面積の両方の割り算が入っていると覚えておくと、単位記号を見た瞬間に仕分けられます。

もっとも紛らわしいのは、ワットだけの記号です。これは音源が全方向へ吐き出すエネルギーの合計で、音源そのものの強さを言い表す量です。同じ音源でも近づけば耳に届く音は大きくなりますが、音源が毎秒出しているエネルギーは変わりません。音源の能力を表す量と、ある地点での密度を表す量を同じ記号で書いてしまうのが、この設問の最大の落とし穴です。球状に広がる音では、音源の出力を球面の面積で割った値がその距離での音の強さになり、距離が2倍になれば面積が4倍になって強さは4分の1に落ちます。この割り算があるからこそ距離減衰が説明できるのであって、割り算のない量では場所ごとの違いを語れません。

ジュールを分子に置いた二つの記号も、狙いは同じです。ジュールはエネルギーそのものであって、どれだけの時間で受け渡されたかを含みません。面積で割れば単位面積あたりに降り積もったエネルギーの総量、体積で割れば空間に蓄えられたエネルギーの濃さになります。前者は暴露量に近い考え方、後者は室内の残響を論じるときに出てくる量で、いずれもある瞬間の流れの勢いではなく、たまった量を指しています。

最後の圧力の2乗は、比例関係があるぶんだけ厄介です。音の強さは、音圧の2乗を空気の特性インピーダンスで割った値になります。つまり2乗した圧力は音の強さを定数倍したものであって、定数で割って初めて強さの単位に変わります。比例することと単位が同じであることは別の話で、ここを踏み外すと、音圧レベルと音の強さのレベルの関係も曖昧になっていきます。

覚え方

• ワットだけなら音源の出力、面積で割れば地点の強さ。割り算の有無で仕分ける。
• 分子がジュールの記号は「たまった量」。流れの勢いを表す量にはならない。
• 体積で割った形はエネルギー密度。室内の音の議論で顔を出す量。
• 圧力の2乗は強さに比例するだけ。特性インピーダンスで割って初めて単位がそろう。
• 迷ったら「1秒間に1平方メートルを何ジュール通るか」と声に出して組み立てる。

理解度チェック

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