指向性 — CAE用語解説

音響シミュレーションとアンテナ解析の両方で重要だ。音響では、スピーカーや騒音源が「どの方向にどのくらいの強さで音を放射するか」を表す指向性パターンが設計指標になる。アンテナでは「どの方向に電波が強く放射されるか」を示す放射パターンがアンテナ性能の核心だ。CAEでは——音響FEM/BEM（COMSOL、Actran）で音圧の遠距離場分布を計算したり、CST/HFSSでアンテナの3次元放射パターンを計算したりする。「指向性が設計要件を満たすか」の評価が最終的な目的だ。

アンテナの場合、指向性D(theta, phi) = 4*pi * U(theta, phi) / P_total で定義される——U は特定方向の放射強度 [W/sr]、P_total は全放射電力だ。全方向均等に放射する等方性アンテナ（D=1）に比べて、ある方向に集中して放射できれば D > 1 になる。dBiで表すことが多い（0dBi = 等方性）。音響でも同様に指向性係数Dを定義できる。CAEの結果では3Dの「バルーンチャート（風船型の放射図）」として可視化されることが多い。

BEM（境界要素法）やFEMで音響解析する。スピーカーの振動板変位を構造FEMで求め、その変位を音響BEMの速度境界条件として入力して周囲の音場を計算する（流体-構造連成）。远距離場（Far Field）での指向性はHelmholtz方程式の解からKirchhoff-Helmholtz積分で計算できる。周波数を変えながら計算すると「低周波では指向性が弱い（全方向に広がる）、高周波では鋭い指向性になる」という実測通りの傾向が出る。AnsysのACT Acoustic、ActranのFAR FIELD機能がこれに対応している。

非常に重要な問題だ。車室内音響（NVH）では運転席・助手席・後席で音量と音質が変わらないよう「均一な音場」を設計する必要がある。単純なスピーカー配置では音が前席に偏ったり、ドア内スピーカーの指向性が座席方向に合っていなかったりする。FEMで車室内の音場シミュレーションをして、スピーカー位置・角度・指向性パターンを最適化する。最近のハイエンド音響システム（Meridian、Harman等）では個別最適化にFEM音響解析が使われているよ。