音響インピーダンス
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音響インピーダンス(おんきょうインピーダンス、英: acoustic impedance)は、音響について交流電力のインピーダンスの概念を導入した物理量であり、音場において波面に平行で有限な面における、音圧とその面を通過する体積速度(=粒子速度✕面積)との複素数比である[1]。SI単位は[Pa⋅s/m3](=N⋅s/m5)。
概要
電力は電圧と電流の積により表され、その次元がL2 M T−3である仕事率(パワー)であるが、音波について電力に対応する次元の量は、音圧とその面を通過する体積速度(=粒子速度✕面積)の積により表される音響パワーである。音響パワーは電力と同様に仕事率であり単位はワットである。 この音響パワーを構成する音圧と体積速度について、交流電力における電圧と電流の比であるインピーダンスに対応させ[注釈 1]、音圧と体積速度の比を取ったものが音響インピーダンスである[2]。音響インピーダンスは複素数比であり、その実数部を音響抵抗といい、虚数部を音響リアクタンスという。
比音響インピーダンス
この音響インピーダンスから面積の要素を除き[注釈 1]、音場内のある点における音圧と粒子速度との比を取ったものを比音響インピーダンス(ひおんきょうインピーダンス、英: specific acoustic impedance)という。単位は[Pa⋅s/m]である。比音響インピーダンスは複素数比であり、その実数部を比音響抵抗といい、虚数部を比音響リアクタンスという[3]。
特性インピーダンス
また、自由進行平面波の比音響インピーダンスを特性インピーダンス(英: characteristic impedance)といい、ある点の音圧 p [Pa]と粒子速度(振動速度)u [m/s]との複素数比により表される特性インピーダンスzc (=p/u)は、エネルギー損失がない媒質では常に実数であり、p=ρcuから媒質の密度ρ[kg/m3]とその弾性波の伝搬速度 c[m/s]との積ρc [Pa⋅s/m] に等しく、媒質に固有の値をとる。固有音響インピーダンスあるいは固有音響抵抗ともいう[2][4]。
この実数で表される特性インピーダンス(固有音響インピーダンス)を指して、時に「音響インピーダンス」と言われることがあるが、音響学において音響インピーダンスは交流電力におけるインピーダンスと同様に、複素数比で示される量である。
脚注
注釈
- ^ a b JIS Z 8106:2000, 「インピーダンス」では、「インピーダンスは、その積がパワー又は単位面積当たりのパワーの単位をもつような二つの量の商である。」と説明する。
出典
- ^ 『新版 音響用語辞典』 (2003), p. 48, 「音響インピーダンス」.
- ^ a b 前川・森本・阪上『建築・環境音響学』第3版 (2011), pp. 4–5.
- ^ 『新版 音響用語辞典』 (2003), p. 318, 「比音響インピーダンス」「比音響抵抗」「比音響リアクタンス」.
- ^ 『新版 音響用語辞典』 (2003), p. 282, 「特性インピーダンス」.
参考文献
- 日本音響学会 編『音響用語辞典』(新版)コロナ社、2003年7月。ISBN 4-339-00755-2。
- 前川純一・森本正之・阪上公博『建築・環境音響学』(第3版)、2011年。ISBN 978-4-320-07707-2。
- JIS Z 8106:2000「音響用語」(日本産業標準調査会、経済産業省)(日本産業規格『JIS Z 8106:2000(音響用語)』 。)
関連項目
音響インピーダンス
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「インピーダンス整合」の記事における「音響インピーダンス」の解説
インピーダンスの概念は、交流だけではなく波動一般に広げられる。例えば音波の伝播にもインピーダンスを導入しうる。音響インピーダンスは一つの面における(複素表示による)音圧(SI単位はPa)を(複素表示による)体積速度(SI単位はm3/s)で除したもので,そのSI単位はPa・s/m3である。また,平面進行波について音圧を粒子速度で除したものは,その媒質の特性インピーダンス(SI単位はPa・s/m)と呼ぶ。これは電気における電流に対する電圧の比に対応したものである。特に平面波の場合は媒質の密度と媒質中の音速の積で表される。音響インピーダンスの単位はPa・s/m3又はN・s/m5(結局同じ)である。このように音響インピーダンスと音波についての特性インピーダンスは異なった概念の物理量である。 水の(音響)特性インピーダンスは約1.5×106 N・s/m3であり、空気の特性インピーダンスは約4.1×102 N・s/m3である。よって、例えば水面に向かって叫び声を上げても、空気中の音波は水面でほとんどが反射され水中には伝播しにくい。ここで、軽く大面積の振動板とそれに連結した小面積の振動板を用意し、その面積比を水と空気の特性インピーダンスの比にあわせることにする。小面積の振動板を水面に触れさせ、大面積の振動板に向かって叫び声をあげれば、狭い面積の水に大きな圧力がかかり、効率よく音のエネルギーが水に伝えられる。聴覚系では、耳小骨がこれに近い働きをし、空中の音波を内耳のリンパ液に伝えている。 音波の、チューブの開放端や閉鎖端における反射も特性インピーダンスの違いによるものである。開放端はインピーダンスが低く、閉鎖端はインピーダンスが高くなっている。金管楽器ではラッパ状の開口部はカットオフ周波数以上の音波に対してはホーンとして働き、効率良く音波を放射する。しかし低い周波数の音波に対しては開放端に近い動作をすることになり、管内に定在波が維持される。 音響インピーダンスは媒質中の音速と媒質の密度との積で表される。代表的な媒質の音響インピーダンスを以下に示す。 音響インピーダンス (縦波)媒質密度(kg/m3)音速(m/s)音響インピーダンス(kg/m2s)備考空気1.29 331 428 1℃、1気圧 水1×103 1452 1.5×106 25℃ ガラス2.42×103 5440 13.2×106 天然ゴム0.97×103 1500 1.5×106 1MHz 氷0.917×103 3980 3.65×106 鉄7.86×103 5950 46.4×106 銅8.96×103 5010 44.6×106 アルミニウム2.69×103 6420 17.3×106 鉛11.3×103 1960 22.4×106 ポリエチレン0.9×103 1950 1.75×106
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