音：歴史、特徴、作り方、種類 - 物理的 - 2025

音が交互に、それに圧縮および拡張を生じさせる、空気などの媒質中を伝搬する摂動として定義されます。気圧と密度のこれらの変化は耳に届き、脳によって聴覚として解釈されます。

音はその誕生以来生命を伴っており、動物がお互いに、そして彼らの環境と通信しなければならない道具の一部を形成しています。植物も耳を傾けると主張する人もいますが、いずれにせよ、高等動物のような聴覚装置がなくても、環境の振動を感知することができます。

図1.遮音壁の破裂

音声は音声によるコミュニケーションに加えて、音楽を通じて芸術的な表現としても利用されます。古代から現代までのすべての文化には、あらゆる種類の音楽的表現があり、それを通して彼らは彼らの物語、習慣、宗教的信念および感情を語っています。

歴史

その重要性のために、人類はその性質を研究することに興味を持ち、音波の特性と振る舞いに特化した物理学の一分野である音響学を作成しました。

有名な数学者ピタゴラス（紀元前569〜475年）が長い間音の高さ（周波数）の違いを研究していたことが知られています。一方、自然のあらゆる側面を推測したアリストテレスは、音は空中の膨張と圧縮からなると正しく主張しました。

その後、有名なローマのエンジニア、ヴィトルビウス（紀元前80-15年）が音響学とその劇場の建設への応用について論文を書きました。アイザックニュートン自身（1642-1727）は、固体媒体内の音の伝播を研究し、その伝播速度の式を決定しました。

時間の経過とともに、数学的計算ツールにより、波の振る舞いのすべての複雑さを適切に表現することが可能になりました。

音響特性（物性）

最も単純な形では、音波は、図2に示すような、時間と空間を伝播する正弦波として記述できます。波が周期的である、つまり、時間内に繰り返される方法。

縦波であるため、伝播方向と振動媒体の粒子が移動する方向は同じです。

音波パラメータ

図2.音は縦波です。外乱は、分子がその変位を経験するのと同じ方向に伝播します。出典：ウィキメディア・コモンズ。

音波のパラメータは次のとおりです。

周期T：波のフェーズを繰り返すのにかかる時間です。国際システムでは、秒単位で測定されます。

周期：周期内に含まれる波の一部であり、あるポイントから別のポイントまでをカバーし、同じ高さと同じ勾配を持ちます。記載されている仕様を満たす谷間から尾根間、またはある地点から別の地点へと変化します。

波長λ：波の1つの山と別の波の間、1つの谷と別の谷の間、または一般に同じ高さと傾きを持つ1つの点と次の点の間の距離です。長さであるためメートルで測定されますが、波の種類によっては他の単位の方が適しています。

周波数f：単位時間あたりのサイクル数として定義されます。単位はヘルツ（Hz）です。

振幅A：水平軸に対する波の最大の高さに対応します。

音はどのように生成され、伝播されますか？

図2の下部に示すように、物質媒体に浸された物体が振動すると、音が発生します。左側のスピーカーの張りのある膜が振動し、外乱が空気中を伝わるまでリスナーに到達します。

外乱が広がると、エネルギーは環境内の分子に伝達され、膨張と圧縮を介して相互作用します。音の伝播には、固体、液体、気体など、常に物質的な媒体が必要です。

空気の乱れが耳に届くと、気圧の変動によって鼓膜が振動します。これにより、聴覚神経を介して脳に伝達される電気的インパルスが発生し、そこでインパルスが音に変換されます。

音の速さ

特定の媒体における機械波の速度は、次の関係に従います。

たとえば、空気のようなガス中を伝播する場合、音速は次のように計算できます。

温度が上がると音の速度も上がります。これは、媒質中の分子がより振動し、その動きを通じて振動を伝達しようとするためです。一方、圧力はその値に影響を与えません。

波長と周波数の関係

波がサイクルを完了するのにかかる時間は周期ですが、その時間内に移動した距離は1波長に等しいことはすでに確認しました。したがって、音速vは次のように定義されます。

一方、周波数と周期は関連しており、次のように一方が他方の逆になります。

につながる：

人間の可聴周波数範囲は20〜20,000 Hzであるため、上記の式の値を代入すると、音の波長は1.7 cm〜17 mになります。

これらの波長は一般的な物体のサイズであり、音の伝播に影響を及ぼします。波であるため、障害物に遭遇すると反射、屈折、回折を経験します。

回折を経験するとは、音が波長と同じかそれよりも小さい障害物や開口部に遭遇すると、音に影響が及ぶことを意味します。

低音は長距離に最適に広がります。そのため、象は低周波音（非常に低い周波数の音で、人間の耳には聞こえません）を使用して、広大な領域を超えて通信します。

また、近くの部屋に音楽がある場合、その波長はドアと窓の大きさ程度であるため、低音は高音よりもよく聞こえます。一方、部屋を出ると、高音が途切れやすく聞こえなくなります。

音はどのように測定されますか？

音は、空気の一連の圧縮と希薄化で構成されており、音が伝播するにつれて、音の圧力が増減します。国際システムでは、圧力はパスカルで測定されます。これはPaと略されます。

何が起こるかというと、これらの変化は大気圧と比較して非常に小さいため、約101,000 Paに相当します。

最も大きな音でも、20〜30 Pa（痛みのしきい値）程度の変動しか生じません。しかし、これらの変化を測定できれば、音を測定する方法があります。

音圧は、音のある大気圧と音のない大気圧の差です。前述したように、最も大きな音は20 Paの音圧を生成しますが、最も弱い音は約0.00002 Pa（音のしきい値）を引き起こします。

音圧の範囲は10の累乗に及ぶため、それらを示すには対数目盛を使用する必要があります。

一方、実験では、同じ大きさの強烈な音の変化よりも、低強さの音の変化がより顕著に知覚されることがわかっています。

たとえば、音圧が1、2、4、8、16…増加すると、耳は1、2、3、4…の増加で知覚します。このため、次のように定義される音圧レベル（音圧レベル）L _Pと呼ばれる新しい量を定義すると便利です。

ここで、P _oは聴力閾値として採用される基準圧力であり、P ₁は平均有効圧力またはRMS圧力です。このRMSまたは平均圧力は、音声信号の平均エネルギーとして耳が認識するものです。

デシベル

上記のL _Pの式の結果は、P _1のさまざまな値に対して評価されると、無次元の量であるデシベルで示されます。このように音圧レベルを表すと非常に便利です。対数は大きな数値をより小さく、扱いやすい数値に変換するからです。

ただし、多くの場合、音圧ではなく音の強さを使用してデシベルを決定することが推奨されます。

音の強さは、波が伝播する方向に垂直な方向を向いた単位面を1秒間流れるエネルギーです。音圧と同様に、これはスカラー量であり、Iで表されます。Iの単位はW / m ²、つまり単位面積あたりのパワーです。

音の強さが音圧の2乗に比例することを示すことができます。

この式では、ρは媒体の密度、cは音速です。次に、音響強度レベルL _Iは次のように定義されます。

これもデシベルで表され、ギリシャ文字のβで表されることもあります。基準値I _oは1 x 10 ^-12 W / m ²です。したがって、0 dBは人間の聴覚の下限を表し、痛みのしきい値は120 dBです。

これは対数目盛であるため、デシベル数の小さな違いが音の強さの点で大きな違いを生むことを強調しなければなりません。

騒音計

騒音計またはデシベルメーターは、音圧を測定するために使用されるデバイスであり、測定値をデシベルで示します。人間の耳と同じように反応するように設計されています。

図3.サウンドレベルメーターまたはデシベルメーターを使用して、音圧レベルを測定します。出典：ウィキメディア・コモンズ。

それは、信号を収集するためのマイク、この信号を電流に適切に変換する役割を担うアンプとフィルターを備えたより多くの回路、そして最後に読み取りの結果を示すためのスケールまたはスクリーンで構成されています。

これらは、特定のノイズが人や環境に与える影響を特定するために広く使用されています。たとえば、工場、産業、空港、交通騒音などの騒音。

サウンドの種類（超音波、超音波、モノラル、ステレオ、ポリフォニック、ホモフォニック、ベース、トレブル）

音はその周波数によって特徴付けられます。人間の耳がとらえることができるものによれば、すべての音は3つのカテゴリに分類されます：私たちが聞くことができる音または可聴スペクトル、可聴スペクトルまたは超低周波の下限を下回る周波数を持つ音、および可聴スペクトルを超える音。超音波と呼ばれる上限。

いずれにせよ、音波は直線的に重なる可能性があるため、日常的に聞こえる音は、ユニークであると解釈されることもありますが、実際には、周波数は異なりますが周波数が近いさまざまな音で構成されています。

図4.音のスペクトルと周波数範囲。出典：ウィキメディア・コモンズ。

可聴スペクトル

人間の耳は20〜20,000 Hzの幅広い周波数を拾うように設計されていますが、この範囲のすべての周波数が同じ強度で知覚されるわけではありません。

耳は500〜6,000 Hzの周波数帯域でより敏感ですが、年齢など、音を知覚する能力に影響を与える他の要因があります。

インフラサウンド

周波数が20 Hz未満の音ですが、人間が聞こえないということは、他の動物が聞こえないということではありません。たとえば、象は長距離を移動できるため、象はコミュニケーションに使用します。

トラなどの他の動物は、獲物を気絶させるためにそれらを使用します。インフラサウンドは、大きなオブジェクトの検出にも使用されます。

超音波

20,000 Hz以上の周波数を持ち、多くの分野で広く使用されています。超音波の最も注目すべき用途の1つは、診断と治療の両方の医学のツールとしてです。超音波によって得られる画像は非侵襲的であり、電離放射線を使用しません。

超音波は、構造物の欠陥の発見、距離の特定、ナビゲーション中の障害物の検出などにも使用されます。動物も超音波を利用しており、実際にその存在が発見されました。

コウモリは音のパルスを発し、それらが生成するエコーを解釈して距離を推定し、獲物を見つけます。また、犬は超音波を聞くこともできるため、飼い主が聞くことができない犬の笛に反応します。

モノフォニックサウンドとステレオフォニックサウンド

図4.レコーディングスタジオでは、電子デバイスによってサウンドが適切に変更されます。出典：Pixabay。

モノラルサウンドは、単一のマイクまたはオーディオチャネルで録音された信号です。ヘッドホンやサウンドホーンで聞く場合、両耳はまったく同じものを聞きます。対照的に、ステレオ音響は2つの独立したマイクで信号を録音します。

マイクはさまざまな位置に配置されているため、録音したいもののさまざまな音圧を拾うことができます。

次に、各耳がこれらの信号セットの1つを受け取り、脳がそれらを収集して解釈すると、モノフォニックサウンドを聞く場合よりもはるかに現実的な結果になります。したがって、ラジオやモノラルサウンドはラジオで、特にインタビューや会話にまだ使用されていますが、音楽や映画に関しては、この方法が推奨されます。

ホモフォニーとポリフォニー

音楽的に言えば、同音は2つ以上の声や楽器で演奏される同じメロディーで構成されます。一方、ポリフォニーでは、メロディーや異なるリズムにさえ従う、重要度の等しい2つ以上の声や楽器があります。結果として生じるこれらの音のアンサンブルは、バッハの音楽のように調和しています。

低音と高音

人間の耳は可聴周波数を高、低、または中と区別します。これが音の高さです。

1600〜20,000 Hzの最高周波数は鋭い音と見なされ、400〜1600 Hzの帯域は中音の音に対応し、最後に20〜400 Hzの範囲の周波数は低音です。

低音は高音とは異なり、前者は深みがあり、暗く、活気があるように感じられますが、後者は明るく、明確で、喜びに満ちており、鋭いものです。また、耳は低音とは異なり、より強烈な感覚を生み出す低音とは異なり、より強烈に解釈します。

参考文献

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