風車から出る音（その②）

風力発電の風車の音を調べています。
ネットで調べていて２つの説明を見つけました。

説明１：
大型風車では、ブレードからの空力音が支配的である。
この空力音は、数百～数千Hzの広帯域音で、
風車の回転に合わせて周期的（１Hz程度）に変化する。
これは、低周波音ではない。

説明２：
風車音の中のエネルギー的に大きな音は翼（ブレード）の回転を基本とした風切り音だが、その高調波成分のほとんどが100ヘルツ以下の低周波領域にある。とくに20ヘルツ以下の超低周波音の領域にある。

支配的、大きなと書いてあるのだが、周波数が違います。
そこで、

質問１：
風車から出る音で支配的（音のエネルギーの80％以上を占める）のは、
①数百～数千Hzのブレードからの空力音
②100Hz以下の風切り音
のどちらなのでしょうか？

質問２：
風車音を３つの周波数帯、
0Hz～20Hz（超低周波音）、
20Hz～100Hz（可聴低周波音）、
高周波音（100Hz以上の部分）
に分けたときに、
音のエネルギーの大半（80％以上）を占めるのは、どの周波数帯でしょうか？
それぞれエネルギーの何パーセントを占めているのでしょうか？

質問３：
空力音と風切り音は、それぞれどのようにして発生するのでしょうか？

以上、よろしくお願いします。

質問者からの補足コメント

• 

  風切り音の意味は、
  
  風車風切り音は、翼の回転数R(1分間に何回転：R-rpm)、翼の枚数Nとすれば、風車からの基本周波数ｆは、ｆ＝N×R/60
  で示されます。この式は、支柱で支えられただけで覆いの無い扇風機の回転数と翼の枚数とそこで発生する基本周波数 f なります。
  1500ｋW級の風車が山の尾根に並んだ東伊豆では、風が強く吹く時に1分間に20回転しますが、北海道石狩市の茨戸からの水を流す石狩放水路沿いに立っていた3基の風車の内の真ん中の風車もほぼ同様の規格のもでした。
  3枚翼で20ｒｐｍなので、1分間に60回支柱の傍を通り、1秒間では1回翼が通ることになり、ｆ＝3×20/60＝１Hzとなります。
  翼が回転する時に、支柱との間で空気の流れ(風)を引きちぎる時に、時間巾を持った大きなパルス状の音圧変動を起こします。
  でした。
  
  塔の所を通過するときに限定した意味で使われていたようです。

    補足日時：2023/04/19 08:51

No.8 ベストアンサー 回答者： 人は皆親戚 回答日時： 2023/04/18 19:02

https://svmeas.rion.co.jp/support/st_sound.aspx　記事の
騒音計は旧等ラウドネス曲線40dBを上下逆にした曲線のA特性で計測するものとされているように人の感じ方は低音ほど急激に低下するからです。
等ラウドネス曲線は等しい大きさに感じるのには低音ほど巨大な音圧が要るカーブですが、
騒音計では逆にどれ位小さく聴こえるかの逆のカーブになっているので超低周波音（0Hz～20Hz）は人は音としては微小に感じてほとんど含まれていないように見えるけどエネルギーは巨大です。
要するに音響測定と振動測定と人の感じ方の違いと思います。

風車の音と交通騒音では測定と感じ方には大きな違いがあるけど、大学の先生の見解は騒音計だけで見て風車騒音と交通騒音には大きな違いが無いと言うことではないですか？
20Hz以下は聴こえないけど振動で感じる帯域なので道路などの低周波公害などで問題になります。
その辺を調べたら良いと思います。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

環境省のHPの資料には、
住民のうちで、とても不快であると感じる人の割合とA特性音圧レベルの関係が示されています。
交通騒音で１０％の人が、とても不快であると感じたときの音圧レベル
よりも10ｄBほど低い音圧レベルで、風車音の場合は10％程度の人が、とても不快であると感じる。
と言う資料があります。
普通に考えれば、同じ性質を持つならば、同じ音圧レベルのときに、
同程度の人が、とても不快であると感じるはずです。
10ｄBの差はかなり大きいと思います。
一応の説明は、静かな環境で暮らしてきた人は騒音になれていないから、
10％の差が出ると書いてありました。
風車が立ってから１年もすれば、騒音に慣れるでしょうが、騒音に慣れて平気になる人よりも、もっと悩んで引っ越しをする人が多いようです。
新幹線の騒音や、米軍基地の夜間の騒音では、慣れても平気にはなれない場合が多いと思います。
風車音と交通騒音は、同じ性質の騒音なのに、同程度の被害状況でも、その時のA特性音圧レベルに10ｄBほど差があるのが不思議です。

お礼日時：2023/04/18 23:19

No.7 回答者： 人は皆親戚 回答日時： 2023/04/18 09:07

ピンクノイズ図で見るように20～20kHz可聴域は10オクターブバンドで考えることが出来ます。

①20～10Hzの1オクターブバンドは3dB大きくて、②10から5Hzの1オクターブバンドは6dB大きくて、
③2.5Hz～1.25Hzは9dB大きくて、④1.25Hz～0.625Hzは12dB大きくて、⑤0.625Hz～0.315Hzは15dB大きくて⑥0.315Hz～0.156は18dB大きくて、
20Hz以下0.156Hz超周波領域は⑥6バンドも占めていることになって可聴域20～20kHzの10バンドの半分も占めることになって低い周波数ほど音圧が巨大になるはずです。
音圧は1/ｆで低音ほど大きくなるけど発生する音が高音よりも少ないので-3dB/octカーブのバンド毎エネルギーが等しいピンクノイズカーブになります。

60ｍの風車周期はほぼ0.8Hz、音圧は0.3Pa=パスカル20xLOG(0.3/0.00002=84dB
風車が無い場所でも0.8Hz、0.003パスカル20x(0.003/00002=44dB程度なのですね。

音叉の振動による強制振動で、音叉の周波数に従って箱や、中の空気が振動していて開口端補正部から漏れた共鳴音が聴こえます。

https://www.youtube.com/watch?v=FmKU0xZ6CKw

データの平均値を引いてから計算すれば、0.016667Hz～23ｋHzまでの周波数で、0.016667Hz刻みでの音圧が計測できるのですね。
エネルギーの面から見たときの支配的な部分は、超低周波音（０Hz～２０Hz）の部分になってしまうのは人は対数で感知するので理解出来ます。
騒音計でも低音部は巨大音圧が無いと中音域と同じ音圧に感じないラウドネス曲線でも見ることが出来ます。
0.156Hz～20Hz（超低周波音）、6バンドです。
20Hz～80Hz（可聴低周波音）、重低音20Hz～40Hzと低音40Hz～80Hzは2バンドです。
高周波音（100kHz以上の部分）は微少だと思います。
20kHz以上で聴こえない超音波20kHz～40kHzと40kHz～80kHzでも2バンドしかないです。
振動域0.156Hz～20Hzまでが6バンド+可聴域20Hz～20kHzまで10バンド+超音波20kHz～80kHzが2バンドなので、合計で18バンド中の6バンドが20Hz以下超低周波音の部分になります。
このような考え方はどうでしょうか？

この回答へのお礼

ありがとうございます。

音叉と共鳴箱の他に、5種類の音が出る音叉セットを購入して試してみました。
音叉の箱の中の空気は振動に対して共鳴する、すなわち気柱の固有振動数に従って動くので、振動数の違う音叉をくっつけても気柱の部分が原因となる音の周波数は一定だと勘違いしていました。
箱の部分が、くっつけた音叉の周波数で周期的に変形すれは、気柱部分にも強制振動が起こるようです。


計測した風車音では、
音圧の２乗を計算して、その全体の和をT
0Ｈｚから20Ｈｚまでの音圧の２乗の和をS１
20Ｈｚ以上の音圧の２乗の和をS2
とすると、
（S1/T）*100＝93
（S2/T）*100＝7
でしたが、

リオン社前の道路で計測した交通騒音のデータがリオン社のHPにあったので
同じ方法で計算したところ、
音圧の２乗を計算して、その全体の和をT
0Ｈｚから20Ｈｚまでの音圧の２乗の和をS１
20Ｈｚ以上の音圧の２乗の和をS2
とすると、
（S1/T）*100＝1
（S2/T）*100＝99

となりました。
エネルギーの面から考えたときは、超低周波音（0Hz～20Hz）はほとんど含まれていません。

この数値を見る限り、風車の音と交通騒音では大きな違いがあるように思えてしまいます。
でも、大学の先生の見解では、風車騒音と交通騒音には大きな違いが無い。
との事です。
私の計測が間違っているのか、計算が間違っているのか、いろいろ悩んでしまいます。

今後ともご指導よろしくお願いします。

お礼日時：2023/04/18 10:00

No.6 回答者： 人は皆親戚 回答日時： 2023/04/17 20:54

マイクロホンの性能で

音響は20Hz以上の音になっているものがほとんどでもイヤホンなど5Hzとか仕様にありますよね？調べればわかると思いますが、
20Hz～となっていても周波数特性図を見て20Hz以下が録れないと想像できますか？考ええるだけでなくてスマホでもパソコンでもICレコーダーでも20Hzまででもそれ以下がどうなっているかなどは全体のことを調べてからでも良いと思うので先ず実行することだと思います。
パソコンなどでも20Hz以下が分かる方法があると思います。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

自分でも調べてはいます。
リオン社の精密騒音計NL-62と波形収録プログラムNX-42WR
を組み合わせると、
精密騒音計NL-62単体では、1Hz～20ｋHzが測定範囲なのですが、
NX42WRと組み合わせると、サンプリングレート48ｋHzで、音圧の変化を符号付の１６ビット整数としてWAVファイル形式で記録してくれます。
このWAVファイルを使えば、23ｋHzまでの計測が可能です。
計測時間を60秒にして、FFTで解析すれば、0.016667Hz刻みでの音圧（パスカル）が分かる。
データの平均値を引いてから計算すれば、0.016667Hz～23ｋHzまでの周波数で、0.016667Hz刻みでの音圧が計測できます。

結果を見ると、
研究所の先生方の説明や、大学の先生の説明と合わないのです。
音圧の２乗を計算して、その全体の和をT
0Ｈｚから20Ｈｚまでの音圧の２乗の和をS１
20Ｈｚ以上の音圧の２乗の和をS2
とすると、
（S1/T）*100＝93
（S2/T）*100＝7
くらいになって、
エネルギーの面から見たときの支配的な部分は、超低周波音（０Hz～２０Hz）の部分になってしまうのです。
私の計算では、
0Hz～20Hz（超低周波音）、
20Hz～100Hz（可聴低周波音）、
高周波音（100Hz以上の部分）
のうちの、高周波音の部分のエネルギーは２％程度になってしまいました。

研究所の研究員や大学の先生の説明と合わないので悩んでいます。

調べた風車は、高さ60ｍくらいなのであまり大きなものではありません。
もっと大型になれば、研究員の方や大学の先生の言われるようになるのかなと思たりしています。

お礼日時：2023/04/17 23:21

No.5 回答者： angkor_h 回答日時： 2023/04/17 19:01

No.3です。

> 空力音と風切り音は…周波数がかなり違うので、理解が…
空気は質量が小さいし、自身では高速変動ができ難い、
これは理解できると思います。
ブレード(羽根)は質量があるので、
空気と言えどもその衝突による反撃エネルギーは大きい、
つまりは振動数が上がりやすい、と考えればよいと思います。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

音叉セットを買って、30ｃｍ*30ｃｍの薄いベニヤ板の上に
叩いた音叉を乗せてみました。
音叉の周波数でベニヤ板が振動して、大きな音として聞こえました。
その音の高さは、音叉の周波数でした。（耳で聞いた感じでの話です。）

共鳴箱付きの音叉も購入しました。
音叉セットの音叉を叩いて箱に付けると、音叉の周波数での、
強制振動が起こり、くっつけた音叉の周波数の音が大きく聞こえました。
箱を縦にして、風車の塔に見立てて、開口部分の縁に音叉を乗せたら、
乗せた音叉の周波数の音が大きく聞こえました。
開口部分から１ｃｍくらいの所にものを置くと、音の大きさが変化しました。
周波数は音叉の周波数のものでした。

音叉の振動による強制振動で、音叉の周波数に従って箱や、中の空気が振動していると考えました。
箱や気柱はスピーカーの振動版の役割をしていると思いました。
共鳴とは言えませんが、箱や気柱が強制振動での運動をして、空気中の音として大きく聞こえている。

ブレードの先端は、かなりの速度で運動しているので、空気は粘性流体としての性質を持っていて、ブレードの先端に絡みついている空気が塔を押せば、反作用としてブレードが押され、上部の回転軸に力が伝わる。
回転軸から塔の先端に対してく加わる力による塔の変形は気柱への圧力となり、周期的な変動が塔と気柱に起きる。
この変動は、ブレードが塔の前を通り過ぎる回数に比例している。（ビデオでの回転数と0.8Ｈｚあたりの周波数の細かな変動をＷａｖｅｌｅｔ解析して比較したら、ほぼ一致していました。）
塔や気柱はスピーカーの振動版の役割をして、空気中に超低周波音が拡散される。
60ｍの風車では、周期はほぼ0.8Ｈｚとなり、音圧は0.3パスカルでした。
風車が無い場所でも0.8Ｈｚの超低周波音が観測できましたが、0.003パスカル程度でした。

こんなことを考えているのですが、研究者の方や大学の先生の説明とは合わないのです。

大きな風車では研究者の方や大学の先生の言うような現象になるのかとは思いますが、近くには大きな風車が無いので結論は出ていません。

お礼日時：2023/04/17 23:52

No.4 回答者： isoworld 回答日時： 2023/04/17 17:55

「空力音の基本波の周波数は、100Hz以上」「風切り音の基本波の周波数は、20Hz以下」というのは、測定しないと私には分かりません。

感覚的に言えば（なので確かな根拠はありませんが）、どちらももっと低いような気がします。
この基本波の周波数は、風車の回転速度にも依存する要素があるのではないでしょうかね。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

正直なところ、
空力音と風切り音は同じ意味を持っている言葉ではないかと思っています。

それにしては、
大きなエネルギーを持つ周波数帯があまりにも違うので
困っているのです。

お礼日時：2023/04/17 18:01

No.3 回答者： angkor_h 回答日時： 2023/04/17 13:44

質問１、質問２

音の周波数分布は、風車の大きさや形状で異なります。
音のエネルギーは、空気という重さがある物質の運動エネルギーです。
振幅が大きい、同じ振幅であれば周波数が高い、ほど大きくなります。

質問３
空力音とは、空気の移動による圧力変化が音となったもの。
風切り音とは、空気がブレード(羽根)を通過する際の伸び縮みが、
空気振動となって音になるもの。
なんか、同じような気がします。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

空力音と風切り音はどちらもブレードの動きに関係しているのに
周波数がかなり違うので、
理解が出来ないのです。

お礼日時：2023/04/17 17:54

No.2 回答者： 人は皆親戚 回答日時： 2023/04/17 13:22

音のチカラ音力Wが周波数で一定になるのは高音ほど音圧が低下するピンクノイズです。

録音してスペクトルを見るとどこが大きいのか分かります。
フリーソフトAudacityで録音した音を0Hz～20Hz（超低周波音）、
20Hz～100Hz（可聴低周波音）、高周波音（100Hz以上の部分）
にグラフィックイコライザーで分けてそれぞれのRMSを見れば占める電力が分かります。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

録音ですが、
マイクロホンの性能を幾つか調べたのですが
収録できるのは、20Hz以上の音になっているものがほとんどでした。

0Hz～20Hzの音を録音できる特別なマイクロホンが
あるのでしょうか？

お礼日時：2023/04/17 17:51

No.1 回答者： isoworld 回答日時： 2023/04/17 13:08

極めて常識的に言えば、高調波は次数が高くなるほど、そのエネルギーは小さくなります。

エネルギーがいちばん大きいのは、基本波です。
空力音の基本波と風切り音の基本波のどちらのほうがエネルギーが大きいかは、測定して調べないと分かりません。
音が発生するのは、羽やブレードの動きによって空気がかき乱され、その空気の振動（粗密波）が音になるわけ。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

空力音の基本波の周波数は、100Hz以上
風切り音の基本波の周波数は、20Hz以下
と言う事になるのでしょうか？

両方ともブレードの動きに関係していながら
周波数に大きな違いがあるのが不思議です。

お礼日時：2023/04/17 17:48