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English

音の強さとデシベルは逆二乗則で距離とともに弱まる

音源から離れると音は小さくなる。減り方は決まっていて、距離が 2 倍になると強さは 4 分の 1[2]

デシベルで言えば 下がる。 倍離れれば 下がる。この数だけ覚えておけば、たいていの場面で足ります。

出ていく音のエネルギーは変わらないのに、広がる面積が増えるので薄まる。それだけの話[2]

広がる面積で薄まる

音源から出た音は、球面状に広がっていく。半径 の球の表面積は

あたりを通るエネルギーが、音の強さ です。単位は [1]

距離が 2 倍になれば面積は 4 倍。同じ出力を 4 倍の広さへ配るので、 あたりは 4 分の 1 になる。

音源が出す量そのもの、つまり音響出力は距離と関係ない[3]。変わるのは配られ方だけ。

例:1 W の音源

の点音源を考えます。 の位置での強さを出す。

では 分の になり、[2]

例:面積で確かめる

半径 の球の表面積は

半径 なら です。ちょうど 4 倍になっている。

同じ で割るか で割るか。それだけの違いから、 デシベルという段差が出てきます。

例:耳に入るエネルギー

耳の穴の断面積を 、つまり とします。

ふつうの会話の dB は なので、耳に入る仕事率は次のとおり。

1 時間ぶんためても の砂粒を 持ち上げる程度です。

耳がどれだけ小さなエネルギーを拾っているかが分かります。

耳は比で感じる

強さが 倍になっても、 倍うるさいとは感じない。そこで基準との比を対数にした量を使います[1]

。人がやっと聞きとれる強さです[1]

例:デシベルに直す

さきほどの を計算します。

代表的な値を並べておきます[1]

場面レベル強さ
聞こえる限界 dB
ささやき声 dB
ふつうの会話 dB
大きな音楽 dB

dB と dB では、強さが 倍違います。感じ方の差はもっと小さい。

距離が 2 倍で 6 下がる

強さが 4 分の 1 になるので、デシベルの変化は次のとおり。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

横軸を距離の桁にとると、グラフは直線になります。 倍ごとに ずつ下がる直線[3]

例:10 倍離れる

dB の音は、 dB、 dB になる。

dB を切るのは意外に早い。工事現場の音が数百メートル先で気にならなくなるのは、この減り方によるものです。

音源を増やすと

同じ音源を 2 台にすると、強さは 2 倍。デシベルでは だけ上がる[1]

台なら 上がる。 台でようやく です。

例:スピーカーを 4 台にする

台で dB だった場所に、同じスピーカーを 台置きます。

dB になる。台数を 4 倍にするのと、距離を半分にするのは同じ効き目。

音を大きくしたいとき、機械を増やすより近づくほうが早い。距離が効くのは 2 乗のため。

例:大きさの違う 2 つの音を足す

dB の音と dB の音を、同じ場所で重ねます。デシベルのまま足してはいけません。

いったん強さに戻す。 dB は dB は

デシベルに直すと dB。 小さい音を足しても、 しか増えない。

うるさい場所で小さな音を足しても効かない。対策するなら、大きいほうから手をつけます。

例:台数を減らす

台の機械が動いている場所で、 台だけ止めたとします。

ほとんど変わらない。半分の 台まで止めて、ようやく 下がる。

台に減らせば 下がります。減らす効果は、割合で効いてくる。

3 デシベルという段差

dB は強さがちょうど 2 倍になる段差です[1]

人が違いに気づける、いちばん小さい段差でもあります[1] では、並べて比べないと分かりにくい。

だから機械を 2 台に増やしても、気づかれるかどうかの境目にしかならない。距離を詰めるほうが、はるかに大きく効きます。

距離の比から直接出す

倍や 倍でない距離でも、比さえ分かれば一気に出せます。

強さが なので、対数の中で 乗が前へ出て になる。 倍を入れれば 倍を入れれば と、さきほどの値に戻ります。

例:どこまで離れれば静かになるか

dB の音源を、 dB まで下げたいとします。

ほど離れる必要があります。

下げるのに 倍の距離。デシベルが対数であることの重みが、ここに出ています。

例:中途半端な距離

dB の音を、 で測ります。

dB ほど。 倍と 倍のあいだも、同じ式でつながっています。

自由音場という条件

で減るのは、まわりに何もない場所での話[2]。これを自由音場といいます。

屋外の広い場所

反射するものがないので、距離が 2 倍になるたびに ずつ下がる

部屋の中

壁や天井で返ってきた音が加わり、離れてもあまり下がらない

コンサートホールでは、後ろの席でもそれほど小さくならない。直接届く音より、返ってきた音のほうが多いためです。

音の強さと振幅

強さは振幅の 2 乗に比例する。振幅を 2 倍にすれば、強さは 4 倍。

デシベルでは 上がる。距離を半分にしたときと同じ変化になる。

例:振幅を 10 倍にする

強さは 倍、レベルは 上がる。

dB の会話が dB になる。振幅で 倍というのは、それだけ大きな違いです。

点音源から の位置で dB でした。 の位置では何 dB になりますか。

  • dB
  • dB
  • dB
__RESULT__

距離が 倍なので、 倍が 2 回。 下がって dB です。 dB は 倍ぶんしか下げていない値になります。

台数のほうも確かめます。

同じスピーカー 台で dB の場所に、さらに 台を同じ位置に足しました。レベルはいくらになりますか。

  • dB
  • dB
  • dB
__RESULT__

強さが 倍になるので、 dB 上がって dB です。 dB はデシベルの値を 倍してしまった答えになります。デシベルは足し算で扱います。

検算のしかた

距離を変えた計算では、比だけを見れば答えが出ます。 倍で 倍で 。この 2 つを組み合わせれば、たいていの数はすぐに確かめられる。

から へなら、 倍近づいたので から なら 倍なので です。

台数と距離を混ぜたときは、それぞれのデシベルを足します。 台に増やして 倍離れたなら、 で差し引き

出た答えが代表値の表から大きく外れていたら、どこかで桁を落としています。 の音源で なら dB という値を、目安として持っておくとよい。

音は距離で薄まるだけで、消えてなくなるわけではありません。広がった面積ぶん配られている。それを比で読み替えたものがデシベルです。

出典

Sound Intensity. University Physics Volume 1, OpenStax.
Inverse Square Law. Basic Acoustics, University of Manchester.
*Wie nimmt der Schall mit der Entfernung ab?*. Eberhard Sengpiel, sengpielaudio.
音源から出るエネルギーは変わらないのに、広がる面積が増えるので薄まります。半径 1 m の球の表面積 12.6 平方メートルが、2 m では 50.3 平方メートル。同じ出力を 4 倍の広さへ配るので、1 平方メートルあたりは 4 分の 1 になり、デシベルでは 6 下がる。10 倍離れれば 20 下がります。$L_2 = L_1 - 20\log_{10}(r_2/r_1)$ を使えば、中途半端な距離でも一気に出せる。音源を 2 台にしても 3 しか上がらないので、近づくほうがはるかに効きます。60 dB の会話で耳に入る仕事率が $5 \times 10^{-11}$ W しかないところ、部屋の中では反射のぶん下がりにくいところまで。