音質測定:ISO 532 ラウドネス & ECMA-74 トーナリティ ガイド(無料 OpenTest)

無料のオープンソースソフトウェアである OpenTest を使って、ラウドネス(ISO 532-1)、シャープネス、トーナリティ(ECMA-74)の測定方法を学びましょう. 自動車 NVH、コンシューマーエレクトロニクスおよび家電製品エンジニア向けのステップバイステップガイド. 本記事は音響および振動試験に携わるエンジニアを対象としています. 本記事では、OpenTest 上で、ISO 532 によるラウドネス規格および ECMA-74 のトーナリティ評価手法に基づいたサウンドクオリティ測定の実施方法を紹介します. 3 つの主要な心理音響指標 - を測定・比較することで、 ラウドネス、 Sharpness と Prominence (Tonality) - を用いれば、民生機器、自動車 NVH、家電製品、IT 機器の各分野のチームは、「どれだけ良く(あるいは悪く)聞こえるか」という感覚を定量的なエンジニアリングデータに変換し、データ収集から解析、レポート作成まで、標準化されたサウンドクオリティワークフローを単一のプラットフォーム上で完結させることができます.

サウンドクオリティ測定が重要となる理由

従来の騒音試験では、装置がどれだけ「うるさい」かを表すために、通常は dB 値に頼っています. しかし、多くの研究や実際のプロジェクトから、エンジニアは 「ラウドネス」はあくまで一部の情報にすぎないことを再認識させられています. 自動車 NVH、家電製品、IT 機器、民生電子機器の分野では、製品音に対するユーザーの受容性は、単なる全体の音圧レベルではなく、心地よいか、鋭いか、疲れやすいか、不快かといった要素に大きく左右されます.

業界調査からも、ほとんどのメーカーが、「どれだけ良い音か」を「どれだけ静かなのか」と同程度に重要視しており、製品開発の初期段階からサウンドクオリティに配慮し始めていることが分かっています. 同じ音圧レベルであっても、サウンドクオリティが悪いと、製品全体の満足度を大きく押し下げてしまいます.

まさにそのために、 ひとつの専門分野としての サウンドクオリティが存在します.これは、 ラウドネス、シャープネス、トーナリティ／プロミネンス といった一連の心理音響指標を用いて、「鋭い」「こもる」「きつい」「なめらか」といった主観的な印象を、測定可能で、比較可能で、トレーサブルなデータに変換し、エンジニアリングチームが単なる騒音低減を超えて、聴感上の体験を中心に製品音を設計・最適化できるようにするものです.

サウンドクオリティ測定の主要指標

エンジニアリングの実務において、サウンドクオリティは単一の数値ではなく、複数の心理音響量の組み合わせとして扱われます. 一般的に用いられる指標には、ラウドネス、シャープネス、ラフネス、フラクチュエーションストレングス、プロミネンス／トーナリティ などがあります.

図 1 - サウンドクオリティ測定における主要指標

ラウドネス(ISO 532-1)

ラウドネスおよびラウドネスレベルは、人間の耳にどれだけ大きく聞こえるかを表す指標であり、単なる dB による音圧レベルとは異なります. 国際的には、ISO 532-1:2017 に規定された Zwicker 法に基づく規格が、ラウドネス算出に広く用いられています. この手法は定常音と変動音の両方に対応でき、多くの技術騒音アプリケーションで主観的な聴感との相関が良好です.

エンジニアリングの観点からは、ラウドネスには A 特性音圧レベルに対して明確な利点があります:

• 人間の聴覚が周波数によって感度が異なる(中高域により敏感)ことを考慮している
• 同じ dB レベルであっても、「うるさいと感じるかどうか」をより正確に反映することが多い

シャープネス(DIN 45692)

シャープネスは、音がどれだけ鋭く、耳に刺さるように感じられるかを表します. 高周波成分の比率が高いほど、人はその音をより「鋭い」「耳ざわりがきつい」と感じる傾向があります.

シャープネスは DIN 45692:2009 として標準化されており、通常はラウドネスモデルから得られる特定ラウドネス分布に基づき、高い Bark 帯域に追加の重み付けを行って算出されます. 結果は acum 単位で表されます.

ファン、コンプレッサ、電動駆動のホイーンノイズなどの用途では、単に全体の dB レベルを下げるよりも、シャープネスを低減する方が、主観的な快適性の向上に効果的であることが多くあります.

ラフネス(asper)

ラフネスは、おおよそ15〜300 Hz 帯域の高速な振幅変調に対応し、「ざらつく」「振動している」といった印象を与えます.たとえば特定のインバータホイーンやギアホイーンで、音が「震えている」ように聞こえる場合です.

• 単位:asper
• 古典的な定義:1 asper は、約 70 Hz、変調度 100% の振幅変調がかかった 1 kHz、60 dB の純音に相当します
• 変調が深く、かつ変調周波数が感度の高い領域(約 70 Hz)に近づくほど、知覚されるラフネスは大きくなります

エンジニアリングでは、ラフネスは音がどの程度「ブンブン鳴っている」「擦れるように聞こえる」かを表す指標として用いられ、電動駆動システム、ギアボックス、コンプレッサなどにおける技術騒音の主観的評価に特に有用です.

フラクチュエーションストレングス(vacil)

フラクチュエーションストレングスは、より低速な振幅変動、すなわちおおよそ 0.5〜20 Hz の範囲で振幅が上下する現象を捉える指標で、「脈動する」「呼吸している」ように感じられます.典型的な最大感度は 約 4 Hz 付近にあります.

• 単位:vacil
• 1 vacil の古典的な定義:4 Hz、変調度 100% の振幅変調がかかった 1 kHz、60 dB の純音
• 車室内アイドル時の「ブリージングノイズ」や、レベルが周期的に上下するファンのようなケースでは、フラクチュエーションストレングスが重要な記述指標となります

フラクチュエーションストレングスとラフネスは、同じ「変調」現象の表と裏と考えることができます:

• フラクチュエーションストレングス:数 Hz 程度の遅い変調(a few Hz)で、「呼吸している」「脈動している」ように感じられる
• ラフネス:数十 Hz 帯域のより速い変調(tens of Hz)で、「振動している」「ざらざらしている」「粒状に聞こえる」と感じられる

プロミネンス／トーナリティ(ECMA-74)

多くの機器は全体としてそれほど大きな音ではないにもかかわらず、ごく少数の狭帯域トーナル成分が原因で、非常に耳障りになることがあります. こうした「飛び出したトーン」は、通常 トーナリティ／プロミネンスによって定量化されます.

IT および情報技術機器の騒音に対しては、ECMA-74 が、Tone-to-Noise Ratio (TNR) および Prominence Ratio (PR) に基づく評価手法を規定しており、スペクトル線が "prominent tone" かどうかを判定します.

これらの指標はもともと心理音響研究から生まれたもので、現在では自動車、航空宇宙、家電製品、IT 機器などの分野で、不快感の予測と最適化に広く利用されています. たとえば、ラウドネスを一定に保った条件下で、シャープネス、トーナリティ、フラクチュエーションストレングスがヘリコプター騒音の不快感を予測するうえで重要な指標であることが、いくつかの研究で示されています.

なぜ「dB だけを見る」よりもサウンドクオリティが有用なのか

多くのプロジェクトで、次のような疑問を目にしたことがあるかもしれません:

• ファンの 2 つの設計は音響パワーレベルがほぼ同じなのに、一方は「なめらかに聞こえ」、もう一方には明確なホイーンノイズがある
• 騒音対策を行った結果、全体の SPL は数 dB 低下したが、ユーザーからのフィードバックはほとんど改善しない
• 生産ラインでは A 特性音圧レベルだけを判定基準としているため、「音の質が悪い」ユニットが検査をすり抜けてしまう

根本的な理由は次のようにまとめられます:

• 音圧レベル／音響パワー = 「どれだけエネルギーがあるか」
• サウンドクオリティ指標 = 「耳がそれをどう感じるか」

ラウドネス、シャープネス、ラフネス、フラクチュエーションストレングス、プロミネンスといった指標を使うことで、「とにかく聞き心地が悪い」といった曖昧なクレームを次のように分解できます:

• どの周波数帯域にエネルギーが過剰に集中しているか(シャープネスが高い原因)
• 強い振幅変調が存在するかどうか(ラフネスやフラクチュエーションストレングスの増大要因)
• 周囲の帯域に比べて明確に突出しているトーナル成分がないか(トーナリティ／プロミネンスが高い)

設計の反復において、これらの指標は次のような対策に直接結び付けられます:

• 構造最適化(剛性、固有モード、羽根形状など)
• 制御ストラテジ(例:PWM 周波数、ファン回転数カーブおよびその遷移)
• 材料・騒音処理／遮音の選定

これにより、「とにかく dB を下げる」といった指示よりも、はるかに明確で実行可能な対策方針が得られます.

OpenTest によるサウンドクオリティ解析

音響・振動試験用プラットフォームとして、OpenTest は、取得 → 解析 → レポート作成までを含む完全なサウンドクオリティワークフローをサポートします.ページ下部のフォームに入力していただくことで、OpenTest のデモに関するお問い合わせが可能です.

評価対象デバイス例:オフィス PC のファンノイズ

手順を具体的に示すため、ここでは非常に身近なデバイスである一般的なオフィス PCを例として取り上げます.

試験目的:さまざまな動作状態におけるファンノイズのサウンドクオリティ指標を評価し、次のような目的を達成します:

• 異なる冷却方式およびファン制御ストラテジの主観的な騒音性能を比較する
• ラウドネスが目標値を超えていないか、シャープネスが高すぎないかなど(e.g. does loudness exceed the target, is sharpness too high?)、NVH レビューに向けた定量的な情報を提供する
• ホイーン成分の抑制や回転数遷移のスムージングなど(e.g. suppressing whine frequencies, smoothing speed transitions)、さらなるサウンドクオリティ最適化のための基盤を構築する

試験環境の例:

• 半無響室／低騒音ラボ(推奨)、または
• 開発初期の比較評価を目的とした静かなオフィス環境

測定システム:SonoDAQ + OpenTest サウンドクオリティモジュール

ハードウェア側では、CRYSOUND SonoDAQ マルチチャネルデータ収集システム(詳細なモデル情報についてはお問い合わせください)を使用し、試験要件に応じて、PC ファン付近または聴取位置付近に複数本の測定用マイクロホンを配置します.

図 2 - SonoDAQ Pro マルチチャネルデータ収集システム

もちろん OpenTest は、openDAQ、ASIO、WASAPI などの主流オーディオインターフェース経由での接続にも対応しているため、状況に応じて既存の DAQ デバイスやオーディオインターフェースを測定に再利用できます.

ソフトウェア側では、OpenTest に搭載されたサウンドクオリティモジュールが測定モジュールの一つとして提供されます. これをFFT 解析、オクターブ解析、音圧レベル解析と組み合わせることで、標準的な音響・振動試験の多くをカバーできます.

測定パラメータの設定

OpenTest で新規プロジェクトを作成したら、次の手順を実行します:

1. チャンネル設定および校正

• Channel Setup 画面で使用するマイクロホンチャンネルを選択し、感度、サンプリングレート、周波数重み付けなどを必要に応じて設定します
• サウンドレベルキャリブレータ(例:1 kHz、94 dB SPL)を用いて測定用マイクロホンを校正し、ラウドネスや関連指標に対して信頼できる絶対基準を確保します

2. 「Measure > Sound Quality」モジュールに切り替える

• 計算対象とする指標として、ラウドネス、シャープネス、プロミネンスを選択します
• 解析帯域、周波数分解能、時間平均モードを設定します
• 必要に応じて、試験時間や各動作状態に対応するラベルを設定します

本質的には、このステップによって、ISO 532、DIN 45692、ECMA-74 における「計算定義」を、再利用可能なOpenTest サウンドクオリティシナリオテンプレートに変換することになります.

異なる動作状態での音データ取得

試験環境の準備とパラメータ設定が完了したら、Start をクリックして、さまざまな動作状態におけるサウンドクオリティデータを測定します. 各試験レコードは、自動的に保存され、後で解析に利用できます.

サウンドクオリティは実際の使用時にどのように聞こえるかに着目するため、次のような代表的な状態を複数記録しておくことを推奨します:

• アイドル／スタンバイ(ファン停止または低速回転)
• 典型的なオフィス負荷(文書作成、複数タブでのブラウジングなど)
• 高負荷／ストレステスト(CPU／GPU をフルロード)

このように状態を分類しておくことで、エンジニアはどのサウンドクオリティ結果がどの動作状態に対応しているかを明確に管理できます.

図 3 - OpenTest 上で複数のサウンドクオリティ試験レコードをオーバーレイ表示

複数回の測定から単一のサウンドクオリティレポートへ

アイドル、典型的なオフィス負荷、フルロードのストレステストなど(e.g. idle, typical office and full-load stress test)、複数の動作状態で測定を行った後、OpenTest 上で次の操作を実施できます.

• データセットリストで、比較やオーバーレイ表示を行いたいレコードを選択します:
  • 条件ごとのラウドネスカーブを比較する
  • 加速時や回転数遷移時にシャープネスがスパイクしていないかを確認する
  • 顕著な狭帯域トーン(プロミネンスが高い)が現れる動作状態を特定する
• Data Selector では、対応する波形データと解析結果を保存できます:
  • 後の聴感評価試験や主観評価に向けて、.wav ファイルとしてエクスポートする
  • さらなる統計解析やモデリングのために、.csv／Excel としてエクスポートする
• ツールバーの Report ボタンをクリックします:
  • プロジェクト情報、DUT と動作状態の情報を入力します
  • レポートに含めるサウンドクオリティ指標やグラフ(ラウドネス対時間、シャープネスの棒グラフ、トーナルプロミネンスをマーキングしたスペクトルなど)を選択します
  • ワンクリックでサウンドクオリティレポートを自動生成し、社内レビューや顧客提出に利用できます

図 4 - OpenTest によるサウンドクオリティレポートの例

生成されたレポートには、次の内容が含まれます 測定条件および動作モード, 主要なサウンドクオリティ指標 ラウドネス、シャープネス、プロミネンスなどと、従来の音響指標(音圧レベル、1/3 オクターブバンドスペクトル、音響パワーなど)との比較が含まれており、プロジェクトチームが、 客観的でありながら聴感と密接に関連した一連の指標.

代表的な適用シナリオ

OpenTest では、ビジネス領域ごとに異なるサウンドクオリティ試験シナリオを構築できます.例えば次のようなケースです:

• 民生電子機器／IT 機器(ノート PC、ルータ、ファンなど)
  • ラウドネス＋シャープネス＋(必要に応じて)ラフネスを用いて、さまざまな熱設計／ファン制御ストラテジの「主観的快適性」を評価する
  • 異なる回転数カーブや PWM 制御スキーム間でサウンドクオリティを比較する
• 自動車 NVH／電動駆動システム
  • マルチチャネル収録により、車室内騒音と車速信号などを同期して記録する
  • オーダ解析とサウンドクオリティ指標を組み合わせ、電動駆動ホイーンがどれだけ「鋭い」か、また、ラフネスを引き起こす顕著な変調が存在するかを評価する
• 家電製品および産業機器
  • 音響パワーがすでに規格を満たしている場合でも、dB のみではなくサウンドクオリティ指標を用いて「不快な騒音」を追加的にスクリーニングする

サウンドクオリティ試験環境を新たに構築、あるいはアップグレードしようとしている場合は、ISO 532 と ECMA-74 を基盤とし、OpenTest によって環境、データ取得、解析、レポート作成を一連の再現可能なフローとして接続するとよいでしょう. そうすることで、各サウンドクオリティ試験は明確にトレーサブルとなり、単発の実験にとどまらず、長期的なエンジニアリング資産へと発展しやすくなります.

ページ下部のフォーム ↓ にご記入いただき、OpenTest サウンドクオリティモジュールのデモやトライアルに関するお問い合わせをお送りください. また、www.opentest.com の OpenTest 公式サイトでは、機能や適用事例の詳細をご覧いただけます.