小型ファン騒音のトーン性評価法に関する研究

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法政大学大学院理工学・工学研究科紀要 Vol.56(2015年3月）法政大学

小型ファン騒音のトーン性評価法に関する研究

Study on evaluation method of the pure tone for small fan

山口峻生 Takao YAMAGUCHI

指導教員御法川学

法政大学大学院理工学研究科機械工学専攻修士課程

In the field of audio, visual and information technology equipment, small fan noise which includes many pure tones becomes annoying components. Pure tones are caused by the electromagnetic force of motor, the flow interference between blades and spokes, the acoustic modes of the structure and so on. These tones become not only the main contribution to the overall sound pressure level, but also unpleasant component. Some metrics for the pure tone have been presented, however the one which specified for small fan noise has not been developed. In this study, the new evaluation parameters so called T-TNR and T-PR are presented, in which the excess levels for multiple tonal components are calculated by the method of the TNR and PR and summed up the TNRs and PRs, and confirmed the effectiveness by using sensory test with 30 sample sounds.

Key Words: Small fan, Fan noise, Tonal components, Tone to noise ratio, Prominence ratio, Sound Quality

１．緒論

情報機器や AV 機器から発生する騒音は,騒音レベル自体は小さいが,静粛な住環境においては耳障りになる.この原因の主要なものに,騒音に含まれる純音(トーン)成分がある.トーン成分は,冷却ファンやモーターの回転, 構造の音響モードなどにより生じ,オーバーオール騒音レベルに対する寄与が大きいだけでなく,聴覚上も不快な成分になる. トーン成分が聴覚に与える影響についてはいくつかの評価モデルが提案されているが,複合的に発生するトーン成分についての指標はまだ十分に吟味されていない.

そこで本研究では,トーン成分の評価法に関して主観実験(官能検査)手法の一つである一対比較法を用いて聴覚とトーン成分の関係を詳細に調べ,特に情報機器から生じる騒音の評価方法を確立することを目指す.

２．ファン騒音について

ファンから発生する空力騒音は,トーン性の高い回転騒音と乱れなどによって誘起される広帯域の乱流騒音とに大別することが出来る¹⁾.

（１）回転騒音

回転騒音は羽の回転による周期的な圧力変動によって発生し,その周波数は翼通過周波数(羽根枚数

z

と回転数

n

の積)𝑓𝑟1と,その高次成分𝑓𝑟2, 𝑓𝑟3, 𝑓𝑟4,…である.これらは次

式のように表される.

回転騒音は高いトーン性を持ち,オーバーオール騒音レベルへの影響は大きく,非常に耳障りな音である.また,軸流ファンにおいては羽根車後方の流れとスポーク,ステーターの干渉によって発生し,遠心ファンに比べると高次成分の発生がより複雑に表れる.

Fig.1 Noise spectra of axial fan

（２）乱流騒音

一方,乱流騒音はファンによって引き起こされる非定常

𝑓

_𝑟𝑚

= 𝑚𝑧 × n (Hz) (𝑚 = 1,2,3, … )

(1)

(2)

な流れ,すなわちはく離流れや羽根車表面上の乱流境界層によって引き起こされる.乱流騒音成分は通常は広帯域成分となり,エネルギーは回転騒音に比べて小さく,オーバーオール騒音レベルへの影響は副次的である.

３．騒音のトーン性評価

（１）既存のトーン性評価法

トーン性とは広義には音の純音性と捉えることができ, 尖鋭度など信号のピークの大きさを示すパラメータが考えられる.しかしここで述べるトーン性とは,聴覚上の周波数分解能すなわち臨界帯域をベースとしたパラメータである.以下に各種のトーン性評価法について示す.

a）Tone to Noise Ratio (TNR)

TNR(ΔLt)は臨界帯域内のトーン成分と(𝑓_𝑡)のパワー (Wt)とそれ以外(𝑓1− 𝑓𝑡, 𝑓𝑡− 𝑓1)のパワー(Wn)に対する比の常用対数を 10 倍した物をデシベル表示した物と定義される²⁾.またECMA-74ではこの値が6dB以上となった場合,その音をProminence Discrete Toneとしている.また,複数のトーン成分が同一もしくは隣接する臨界帯域に存在する場合,TNR 値が極端に大きい,もしくは小さい値を示す場合がある.TNR算出の一例を図2に示す.

Fig.2 Schematic view of TNR calculation

b）Prominence Ratio (PR)

PRはTNRにおいて臨界帯域幅の中に別の顕著なピークがあった場合や,ピーク近傍のレベルが臨界帯域幅より大きい場合または小さい場合に過小,過大評価してしまうことがあるために開発された手法である.

離散周波数音を中心とする臨界帯域(𝑓1𝑀− 𝑓2𝑀)に含まれるパワー(W_M)と,その臨界帯域の上下に隣接(𝑓_1𝐿− 𝑓_2𝐿, 𝑓_1𝑈− 𝑓_2𝑈)するパワー(W_L, 𝑊_𝑈)の平均との比の常用対数を１０倍し,デシベル表示した物であり²⁾,PR算出の一例を図3に示す. また,この値が7dB以上となった場合, その音をProminence Discrete Toneとしている.

TNR およびPRは,規格化されている量であり,情報機器の騒音に関する判断基準として利用されている.

Fig.3 Schematic view of PR calculation

c）その他のトーン性評価法

調音性(Tonality)は,音にどの程度純音性があるかを評価する量として知られている³⁾.周波数マスキング,最小可聴値,トーン成分の割合などの複数の係数より重みづけされた値であり,やや複雑である⁴⁾．

シャープネス(Sharpness)は主観的な音の甲高さを表す評価量であり, Loudnessに次いで「耳障り感」と相関が強いといわれている. Loudness密度N’(z)を重み付け

関数 g(z)と臨界帯域z で広域に重み付けをして積分した

値を, Loudness Nで規格化することにより求められる⁵⁾. トーン性とは直接関係しないが,高周波数域に純音性のある騒音の場合は,Sharpnessが大きくなる.

（２）本研究で提案する評価手法

前述のTNR, PRは，Prominent discrete toneと見なされないトーン成分については評価ができず，また複数のトーン成分が存在する場合の総合的な評価法ではない．

本研究では, 音源の中の複数のトーンについて TNR と PRの算出法により卓越レベルを求め，これらの総和により評価する方法を提案し,これらを Total Tone to Noise Ratio (T-TNR), Total Prominence Ratio(T-PR)とする.

すなわち,式2のように求める.

 





 



 

 

 n

i

TNR_i

TNR T

1 10

10

10 log 10

 





 



 

 

 n

i PR_i

PR T

1 10

10

10 log 10

(2)

４．実験及び方法

（１）試験音の選定と作成

試験音は,IT 機器の冷却用として一般に幅広く用いられるものとして,軸流ファン及び遠心ファンの騒音を用いた.また,意図的にトーン成分と広帯域音のバランスを変化させたホワイトノイズ(WN)とサイン波の合成音を作成した. 表 1 に試験音の概要を示す.

(3)

Table1 List of test pattern for evaluation test Test

No.

Sound source

Equalizati

on Remarks

1 Axial fan OASPL

Balance of tone and noise level was varied, 2 Centrifugal

fan

Loudness

3 Axial fan Loudness 4

Synthetic sound

Loudness Balance of tone and noise level was varied,

5 Loudness

Each tonal component level was varied independently.

6 N/A

Balance of tone and noise level was varied with decreasing Loudness

a）ファン騒音(試験No.1～3)

軸流ファン(オリエンタルモータ製MD825B-12)及び遠心ファン(傳祥微電機製 PABD15010BH)の騒音の収録は半自由空間での測定となるように半無響室の中で行った.ファンの吸い込み側正面より50cm離れたから場所から精密騒音計を設置し,周波数分析機とPCを用いて録音した.

音源のファンは安定化電源により 12V で駆動され,このときのファンの回転数は軸流ファンが 3740rpm,遠心ファンが1230rpmであった.

MATLAB で作成したプログラムを用いて,収録音を加

工した.まず,収録した音より異音が含まれない部分を 3 秒間切り出し,試験音 1 とした.その後,それぞれの試験条件に合うようにピーク音成分を 2～5倍し,最後に試験音 1を基準としてOASPLもしくはLoudness が等価になるよう調整を行った⁶⁾.

作成した試験音のスペクトルを図4～6に示す.

Fig.4 Noise spectra for test 1 (Axial fan noise, OASPL equalized)

Fig.5 Spectra of test 2 (Axial fan noise, Loudness equalized)

Fig.6 Spectra of test 3

(Centrifugal fan noise, Loudness equalized)

b）合成音(試験No.4～6)

合成音は MATLAB で作成したプログラムを用いて作

成した.合成音は下記の3通りの組合せで作成した.

試験 No.4 では.大きさの等しいピーク音成分を 600, 1200, 1800, 2400, 3000Hzの5カ所に等間隔に設定し,試験音毎にピーク音成分の1倍-5倍に変化させた.ピーク音成分が 1倍の物を試験音1とする.その後,全ての試験音

のLoudnessが等しくなるよう,全体の音量を試験音1に

合わせて統一した. 試験 No.6 では,これらの試験音のピーク音成分が高くなるにつれLoudnessが低下するよう, 全体の音量を調整した.

試験No.5では,Bark尺度で2以上離れるよう,ピーク音成分を720, 1440, 2880, 5760Hzの4カ所に設定し,全てのピーク音成分の倍率を1倍にして試験音1を作成した.次に,1次のピーク音成分を2～5倍に変化させ,全ての

試験音のLoudnessが等しくなるように2～4次のピー

ク音成分の倍率を調整し,試験音2～5を作成した.

作成した試験音のスペクトルを図7～9に示す.

-20 -10 0 10 20 30 40 50

0 1000 2000 3000 4000

Sound Pressure Level [dB]

frequency [Hz]

-20 -10 0 10 20 30 40 50

0 1000 2000 3000 4000

frequency [Hz]

0 10 20 30 40 50 60 70

0 4000 8000

frequency [Hz]

(4)

Fig.7 Spectra of test 4 (Synthetic sound, Loudness equalized)

Fig.8 Spectra of test 5 (Synthetic sound, Loudness equalized)

Fig.9 Spectra of test 6

(Synthetic sound, Loudness decreasing)

（２）官能試験

各試験音間の感覚的な相対距離を得るために，一対比較法を実施した．試験においては，「耳障り－耳障りでない」の形容詞を評価軸に用いた．一組の音からランダムに選んだ2つの音を順番に聞かせ，最初の音（基準音）に対して次の音（比較音）が異常かどうかを 5段階評価でシートに記入してもらった．また，提示順序の影響を調べるために，すべての組み合わせを提示した⁷⁾．一対比較法によって得られた主観的な順位（被検者の平均値）と音質評価パラメータ（メトリクス）とを相関分析した⁸⁾．被験者は無作為に選択した正常な聴覚を持つ大学生20人である．

５．実験結果及び考察

各試験における T-TNR, T-PR と耳障り感との関係のグラフを図10～17に示す.

図からも明らかなように,T-TNR, T-PR は耳障り感と高い相関があることがわかる.これより,トーン性の高い成分を有するファン騒音の評価にこれらのパラメータを用いることは有効であると考えられる.特に試験 No.1,2 においては,騒音の主観上の大きさの尺度である OASPL

または Loudness を一定としても高い相関性が出たこと

から, トーン成分は音の大きさとは別に耳障り尺度となり得ることがわかる．さらに，試験No.6においては，T- TNR, T-PRを増加させつつ，あえてLoudnessを小さくするような音を提示したが,耳障り感はT-TNR, T-PRと高い相関性を示した.今後は,Loudness と T-TNR, T-PR の耳障り度への寄与度についても検討すべきと考える．

Fig.10 Relationships between T-TNR and subjective annoyance

Fig.11 Relationships between T-PR and subjective annoyance

-20 -10 0 10 20 30 40 50

0 4000 8000

frequency [Hz]

0 10 20 30 40 50

0 4000 8000

frequency [Hz]

-20 -10 0 10 20 30 40 50

0 4000 8000

frequency [Hz]

R² = 0.9853

R² = 0.9708

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

Subjective annoyance[-]

T-TNR [dB]

Test1 Test2

R² = 0.9786 R² = 0.9485

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

T-PR [dB]

Test1 Test2

(5)

R² = 0.9132

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 5.00 10.00 15.00

T-TNR [dB]

Test 3

R² = 0.8967

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 5.00 10.00 15.00

T-PR [dB]

Test 3

R² = 0.9837 R² = 0.85

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 10.00 20.00 30.00

T-TNR [dB]

Test 4 Test 5

R² = 0.9907 R² = 0.8622

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 10.00 20.00 30.00

T-PR [dB]

Test 4 Test 5

R² = 0.9841

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 10.00 20.00 30.00

T-TNR [dB]

Test6

R² = 0.9992

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

0.00 10.00 20.00 30.00

T-PR [dB]

Test6

(6)

６．結論

1) トーン性を有する音の耳障り感の定量的評価法としてT-TNR, T-PRを提案し,遠心ファン,軸流ファン,合成音を用いた一対比較法を利用して有効性を検証した.

2) T-TNR, T-PRは単純な計算で複数のトーン性の高い

騒音を有する騒音の評価として利用することができ, これらは音の大きさにおける耳障り指標である

OASPL, Loudness が一定またはわずかに低下する

場合でも,耳障り度の指標となり得ることがわかった.

3) 今後は,耳障り度に指標であるLoudnessとの寄与度比較や,マスキングを考慮した T-TNR, T-PR の算出法などを検討する必要がある.

参考文献

1) 鈴木昭次, 西村正治, 雉本信哉, 御法川学，機械音響工学，(1993），コロナ社

2) Standard ECMA-74 “Measurement of Airborne Noise emitted by Information Technology and Telecommunications Equipment”, (2010)

3) Aaron Hastings and Patricia Davies, Purdue University, An

examination of Aures‘s model of tonality, Proceedings of Internoise2002 (2002)

4) Ernst Terhardt, Gerhard Stoll and Manfred Seewann, Algorithm for extraction of pitch salience from complex tonal signals, J. Acoust. Soc. Am (1982)

5) DIN 45681 “Acoustics - Determination of tonal components of noise and determination of a tone adjustment for the assessment of noise immissions”, DIN (2005)

6) JBMS-79 “情報装置の定常音のラウドネス測定方法”,

(2013)

7) 日科技連官能検査委員会，新版官能検査ハンドブック， (1973)，日科技連

8) 難波精一郎, 桑野園子, 音の評価のための心理学的測定法, (1998), コロナ社

9) Takao Yamaguchi, Gaku Minorikawa, Masayuki Kihara, Study on evaluation method of the pure tone for small fan, Proceedings of Internoise2014 (2014)