Ansysブログ
August 10, 2022
製品設計における調性
製品を設計するとき、それがどのように機能するかに多くの検討が費やされますが、「どのように聴こえるか」に関してはどうでしょう。きしみ音を発するヘアドライヤー、笛吹音が生じるノートパソコン、あるいはブンブンと音を立てる電気自動車は、消費者によってすぐに拒絶されます。製品の音響品質を向上させるために、エンジニアは、全体的なサウンドの周波数成分、つまり調性の測定を含め、さまざまな音響指標を解析します。
調性とは何か
調性は、バックグラウンドノイズ上に出現する音色を識別し、サウンドの知覚におけるそれらの寄与を決定するための心理音響指標です。音響源の調性は、ラウドネス、シャープネス、ラフネス、変動強度と並び、製品の音響品質を向上させるために一般的に検討される主要な指標の1つです。
調性の定量化とは、人間の耳でサウンドがどの程度の音色で知覚されているかを客観的な指標に変換することを意味します。調性は、自動車、航空、鉄道、消費財などの工業用途では、周囲の周波数成分に対する音色コンポーネントの相対的な重みを表します。
調性の例: 2機の飛行機
調性が、私たちが聴く音にどのように影響するかを理解するために、これら2つの飛行機の間の階調の違いを聴いてください。
飛行機1
飛行機2
どちらのファイルでも、タービンによって発生する翼通過周波数（BPF: Blade Passing Frequency）が聴こえます。これは、タービン回転速度に翼の数を掛けた値に相当します。飛行機2のサウンドは、飛行機1のサウンドよりも音調が高いことに気付くでしょう。これは、サウンドの残りの部分から出現する周波数が含まれているためです。音色が知覚しやすい場合、簡単に言えば、それは不快となります。
Ansys Soundで計算された心理音響的調性対時間。
Ansys Soundで計算された平均Auresと心理音響的調性。
BPF自体と周囲のノイズは、音色成分の知覚に影響を与えます。出現する周波数の周囲のエネルギーが大きいほど、その周波数は知覚しにくくなり、サウンドの調性は低くなります。
音響心理学における調性
いくつかの心理音響指標は、国際基準の計算方法で音響信号の調性を計算するために一般的に使用されています。
調性指標 | 単位 | 規格 |
プロミネンス比（PR） | dB（デシベル） | |
純音感（TNR） | dB | |
純音性可聴度 | dB | |
Tonal Adjustment Kt ISO 1996-2 | dB | |
Tonal Adjustment Kt DIN45681 | dB | |
Aures調性 | tu（調性単位） | Auresのモデル |
心理音響的調性 | tuHMS（Sottekの聴覚モデル） |
注: Ansys Soundソフトウェアでは、これらの心理音響指標のそれぞれについて、計算プロファイルに自動音色検出手順が含まれています。
たとえば、純音感（TNR）は、音色とその中心にあるノイズ臨界帯域（CB）との間のエネルギー比です。
プロミネンス比（PR）は、音色の周囲の臨界帯域と最も近い2つの帯域のエネルギー比です。
調性のシミュレーション
調性の評価は、電動モータ、HVACシステム、建設機械など、さまざまなアプリケーションで不可欠です。しかし、このような複雑なシステムでは、単一の音響源を特定することは非常に困難です。ノイズをさまざまな音源に分割し、それぞれがシステムのサウンド全体にどのように影響するかを解析するために、エンジニアはAnsys Soundを使用してデータのシミュレーションとテストを実行できます。
ファンノイズのシミュレーション
この例では、エンジニアはAnsys FluentおよびAnsys Soundを使用して、ファンの音響品質を向上させました。Fluentで実行した数値流体力学（CFD）シミュレーションにより、ファンが適切に設計されていることが確認され、Soundではファンからのノイズが適切であることを確認しました。
設計がファンの音響品質に与える影響を予測するために、2番目のファンとして、ねじれたブレードを使用して改善された設計を与えました。設計を変更したことで、AuresおよびECMA74の両モデルで調性が約3tu分割されました。TNRについては、改善された設計では260Hzの音色だけが現れました。このシミュレーションにより、ブレードの形状を変えることでノイズの音色成分が減少し、全体での音響品質が向上することを確認しました。
ファンブレードの形状を変更することで、音響品質が向上できたことをお聴きください。
電動モータのノイズのシミュレーション
調性がユーザー体験に悪影響を及ぼす可能性があるもう1つの例は、電動モータです。
電動モータのノイズは、回転騒音や空力騒音による高音によって不快感につながることがあります。こうしたモータ速度に比例して変化する音色を「次数」と呼びます。
Ansys Soundを使用することで、電動モータで生じた次数のTNRまたはPRを調べ、調性を計算できます。ここでは、次数48と次数60の2つの音色が強く出現しており、ドライバーと乗員が不快に感じる可能性があります。
Ansys Soundを使用して、電動モータの調性（左）と内燃エンジン（上）をシミュレーションできます。画像をクリックして聴くことができます。
適切な音色の設定
音響品質の基準を満たし、お客様が楽しめる聴覚体験を提供する製品を設計するには、ノイズ源を解析して対処することが重要です。音響シミュレーションや、調性などの音響指標を使用して、エンジニアはあらゆるきしみ音、ブンブン音、笛吹音を特定し、プロジェクトに最適なサウンドを発生させるためのオプションを検討できます。Ansys Learning HubアカウントでAnsys Acousticsソフトウェアを使い始める方法については、こちらをご覧ください。