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音響学は連続体力学の一分野であり、気体、液体、固体における機械波の研究を扱い、振動、音、超音波、超低周波音などのトピックを含みます。音響学の分野で働く科学者は音響学者と呼ばれ、音響技術の分野で働く人は音響技術者と呼ばれることがあります。音響学の応用は現代社会のほぼあらゆる側面に存在し、最も分かりやすい例はオーディオおよび騒音制御産業です。
聴覚は動物界における生存に最も重要な手段の一つであり、言語は人間の発達と文化の最も特徴的な特性の一つである。したがって、音響学は音楽、医学、建築、工業生産、戦争など、人間社会の多くの側面に広がっている。同様に、鳴き鳥やカエルなどの動物種は、求愛行動や縄張りのマーキングの重要な要素として音と聴覚を利用している。芸術、工芸、科学、技術は、他の多くの知識分野と同様に、互いに刺激し合い、全体を発展させてきた。ロバート・ブルース・リンゼイの「音響の輪」は、音響学のさまざまな分野を概観した、広く受け入れられている著作である。[ 1 ]
「acoustic」という単語は、「聞くための」または「聞く準備ができている」という意味のἀκουστικός ( akoustikós ) [ 2 ] と、「聞こえる、聞こえる」という意味のἀκουστός ( akoustós ) [ 3 ]に由来し 、これはさらに動詞ἀκούω ( akoúō )「聞く」に由来する。[ 4 ]
ラテン語の同義語は「sonic」で、このことから「sonics」という用語はかつて音響学の同義語として使われていましたが[ 5 ] 、後に音響学の一分野となりました[ 5 ] 。可聴域より上と下の周波数は、それぞれ「超音波」と「超低周波音」と呼ばれます。
紀元前6世紀、古代ギリシャの哲学者ピタゴラスは、なぜある音の組み合わせが他の音の組み合わせよりも美しく聞こえるのかを知りたいと考え、弦上の倍音列を表す数値比によってその答えを見出しました。彼は、振動する弦の長さが整数比（例えば2対3、3対4）で表される場合、発生する音は調和的になり、整数が小さいほど調和的になることを観察したと言われています。例えば、ある長さの弦は、その2倍の長さの弦と組み合わせると特に調和的に聞こえます（他の条件が同じ場合）。現代の言い方で言えば、弦をはじくとCの音が出る場合、その2倍の長さの弦は1オクターブ低いCの音を出すということです。ある音楽調律システムでは、その間の音は、昇順でDが16:9、Eが8:5、Fが3:2、Gが4:3、Aが6:5、Bが16:15となる。[ 6 ]
アリストテレス（紀元前384～322年）は、音は「隣接する空気に落下して衝突する」空気の圧縮と膨張から成ると理解しており、[ 7 ] [ 8 ]これは波動運動の本質を非常によく表現している。一般的にランプサコスのストラトンに帰せられる『聞こえるものについて』では、音の高さは空気の振動の周波数と音速に関係していると述べている。[ 9 ]
紀元前20年頃、ローマの建築家兼技師ウィトルウィウスは、劇場の音響特性に関する論文を執筆し、干渉、反響、残響についての議論を含め、建築音響学の始まりを記した。[ 10 ]ウィトルウィウスは『建築十書』第5巻で、音を3次元に広がった水波に匹敵する波として説明し、障害物によって遮られると、後続の波が戻って崩壊するとした。彼は、古代劇場の上昇する座席は、この音の劣化を防ぐために設計されたと説明し、また、より望ましい調和のとれた音と共鳴させるために、適切なサイズの青銅製の容器（エケア）を劇場に配置して、第4、第5など、2オクターブまで共鳴させることを推奨した。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
イスラム黄金時代に、アブー・ライハーン・アル＝ビールーニー（973年～1048年）は音速が光速よりはるかに遅いと提唱したと考えられている。[ 14 ] [ 15 ]
音響過程の物理的理解は、科学革命中および革命後に急速に進歩した。主にガリレオ・ガリレイ（1564～1642年）とマラン・メルセンヌ（1588～1648年）がそれぞれ独立して、振動する弦の完全な法則を発見した（ピタゴラスとピタゴラス派が2000年前に始めたことを完成させた）。ガリレオは「波は、音を発する物体の振動によって発生し、空気中を伝播して、耳の鼓膜に刺激をもたらし、心がそれを音として解釈する」と記しており、これは生理学的および心理学的音響学の始まりを示す注目すべき記述である。空気中の音速の実験的測定は、1630年から1680年の間に、メルセンヌをはじめとする多くの研究者によって成功裏に行われた。 1634 年のメルセンヌの『普遍的調和』に触発され、ローマを拠点とするイエズス会士の学者アタナシウス・キルヒャーは音響学の研究に着手した。[ 16 ]キルヒャーは音響学に関する 2 つの主要な著書を出版した。1650年の『普遍的音楽制作』[ 17 ]と1673年の『新音響制作』[ 18 ]である。一方、ニュートン(1642–1727) は固体中の波の速度の関係式を導き出し、これは物理音響学の基礎となった(『プリンキピア』、1687 年)。
音響学は、より確固たる数学的および物理的概念に基づいて、18世紀にオイラー（1707～1783）、ラグランジュ（1736～1813）、ダランベール（1717～1783）によって大きく進歩した。この時代には、連続体物理学、すなわち場の理論が明確な数学的構造を獲得し始めた。波動方程式は、空気中の音の伝播など、多くの文脈で出現した。[ 19 ]
19世紀における数理音響学の主要人物としては、生理音響学の分野を確立したドイツのヘルムホルツと、それまでの知識と自身の多大な貢献を融合させた記念碑的な著作『音の理論』 （1877年）を著したイギリスのレイリー卿が挙げられる。また、19世紀には、ホイートストン、オーム、ヘンリーらが電気と音響の類似性を発展させた。
20世紀には、当時すでに確立されていた膨大な科学的知識の技術的応用が急速に発展した。その最初の例は、サビーネによる建築音響学における画期的な研究であり、その後も多くの応用例が続いた。第一次世界大戦では、水中音響学が潜水艦の探知に用いられた。録音技術と電話は、社会の世界的な変革において重要な役割を果たした。音響測定と分析は、電子機器とコンピューターの使用により、新たなレベルの精度と高度化を達成した。超音波周波数帯域は、医療と産業において全く新しい種類の応用を可能にした。新しい種類のトランスデューサー（音響エネルギーの発生器と受信機）が発明され、実用化された。
音響学は、 ANSI/ASA S1.1-2013において「(a)音の発生、伝達、および生物学的・心理学的効果を含む効果に関する科学。(b)聴覚効果に関して部屋の特性を決定する、部屋の持つ特性。」と定義されている。
音響学の研究は、機械波や振動の発生、伝播、受信を中心に展開する。
上記の図に示されている手順は、あらゆる音響現象やプロセスに見られます。原因は自然的なものと意図的なものを含め、多種多様です。エネルギーを他の形態から音波エネルギーに変換して音波を生成する変換プロセスも多種多様です。音波の伝播を記述する基本的な方程式は音響波動方程式ですが、そこから生じる現象は多様で、しばしば複雑です。波は伝播媒体全体にエネルギーを運びます。最終的にこのエネルギーは、再び他の形態に変換されますが、その方法もまた自然的であったり、意図的に操作されたりする可能性があります。最終的な効果は純粋に物理的なものであったり、生物学的または意図的な領域にまで及ぶ可能性があります。地震、ソナーを使用して敵の位置を特定する潜水艦、ロックコンサートで演奏するバンドなど、どのような場合でも、5つの基本的な手順は同様に当てはまります。
音響過程の中心となるのは波動伝播である。これは物理音響学の領域に属する。流体中では、音は主に圧力波として伝播する。固体中では、機械波は縦波、横波、表面波など、さまざまな形態をとる。
音響学ではまず、音波の圧力レベルと周波数、そして音波が周囲の環境とどのように相互作用するかを考察します。この相互作用は、回折、干渉、反射、あるいはこれらの組み合わせとして説明できます。複数の媒質が存在する場合は、屈折も発生する可能性があります。音の変換過程も音響学において特に重要です。
空気や水などの流体中では、音波は周囲の圧力レベルの乱れとして伝播します。この乱れは通常小さいものの、人間の耳には感知できます。人が聞き取れる最小の音は聴覚閾値と呼ばれ、周囲の圧力よりも9桁小さい値です。これらの乱れの大きさは音圧レベル（SPL）に関係しており、音圧レベルはデシベルの対数スケールで測定されます。
物理学者や音響エンジニアは、音圧レベルを周波数の観点から議論する傾向があります。これは、人間の耳が音を解釈する方法が周波数に基づいているためです。私たちが「高い音」や「低い音」として認識するのは、1秒あたりの振動数が多い、あるいは少ない圧力振動です。一般的な音響測定手法では、音響信号を時間的にサンプリングし、オクターブバンドや時間周波数プロットなど、より意味のある形式で表示します。これらの一般的な手法はどちらも、音を分析し、音響現象をより深く理解するために用いられます。
音波スペクトル全体は、可聴域、超音波域、超低周波域の3つのセクションに分けられます。可聴域は20Hzから20,000Hzの範囲 です。この範囲は、人間の耳で周波数を感知できるため重要です。この範囲には、音声通信や音楽など、多くの用途があります。超音波域は、20,000Hz 以上の非常に高い周波数を指します。この範囲は波長が短いため、画像技術の解像度が向上します。超音波検査やエラストグラフィなどの医療用途は、超音波周波数範囲に依存しています。スペクトルのもう一方の端にある最も低い周波数は、超低周波域として知られています。これらの周波数は、地震などの地質現象を研究するために使用できます。
スペクトルアナライザなどの分析機器は、音響信号とその特性の可視化と測定を容易にします。このような機器によって生成されるスペクトログラムは、特定の音響信号の特徴を決定づける、時間とともに変化する圧力レベルと周波数プロファイルをグラフで表示したものです。
トランスデューサとは、ある形態のエネルギーを別の形態のエネルギーに変換する装置です。電気音響の分野では、これは音エネルギーを電気エネルギーに変換する（またはその逆）ことを意味します。電気音響トランスデューサには、スピーカー、マイクロホン、粒子速度センサー、ハイドロフォン、ソナープロジェクターなどがあります。これらの装置は、音波を電気信号に変換したり、電気信号から音波を変換したりします。最も広く用いられている変換原理は、電磁気学、静電気学、圧電効果です。
一般的なスピーカー（ウーファーやツイーターなど）のトランスデューサーは、電磁ボイスコイルによって駆動される吊り下げられた振動板を用いて音波を発生させる電磁デバイスであり、圧力波を放出します。エレクトレットマイクロホンとコンデンサーマイクロホンは静電気を利用しており、音波がマイクロホンの振動板に当たると振動板が動き、電圧変化を誘起します。医療用超音波診断装置で使用される超音波システムは、圧電トランスデューサーを使用しています。これらは特殊なセラミックで作られており、材料自体の特性によって機械的振動と電界が相互に結びついています。
音響学者は音の科学の専門家である。[ 20 ]
音響学者には多くの種類がありますが、通常は学士号以上の資格を持っています。音響学の学位を取得している人もいれば、物理学や工学などの分野での研究を経てこの分野に入る人もいます。音響学の仕事の多くは、数学と科学のしっかりとした基礎知識を必要とします。多くの音響科学者は研究開発に従事しています。音声、音楽、騒音の知覚（聴覚、心理音響学、神経生理学など）に関する知識を深めるための基礎研究を行う人もいます。また、水中音響、建築音響、構造音響など、音が環境を通過する際にどのように影響を受けるかについての理解を深める音響科学者もいます。その他の仕事分野は、以下の下位分野に記載されています。音響科学者は、政府、大学、民間企業の研究所で働いています。多くは音響工学の仕事に進み、教員（学術スタッフ）などの職位には博士号が必要です。
考古音響学、別名音の考古学は、目以外の感覚で過去を体験できる数少ない方法の 1 つです。[ 21 ]考古音響学は、洞窟を含む先史時代の遺跡の音響特性をテストすることによって研究されます。音響考古学者のイエゴール・レズキノフは、ハミングや口笛などの自然音を通して洞窟の音響特性を研究しています。[ 22 ]音響の考古学的理論は、儀式の目的と洞窟内での反響定位の方法を中心にしています。考古学では、音響と儀式は直接相関しており、特定の音は儀式の参加者を精神的な目覚めに近づけることを意図していました。[ 21 ]洞窟の壁画と洞窟の音響特性の間にも類似点が見られます。どちらも動的です。[ 22 ]考古音響学は比較的新しい考古学分野であるため、今日でもこれらの先史時代の遺跡で音響がテストされています。
航空音響学は、乱流などによる空気の動きによって発生する騒音と、流体中の音の伝わり方を研究する学問です。この知識は、レーダーが発明される前の1920年代と30年代に航空機の探知に応用され、音響工学では航空機の騒音を軽減する方法の研究に応用されています。航空音響学は、管楽器の仕組みを理解する上で重要です。[ 23 ]
音響信号処理とは、音響信号を電子的に操作することです。応用例としては、アクティブノイズ制御、補聴器や人工内耳の設計、エコーキャンセレーション、音楽情報の検索、知覚符号化（MP3やOpusなど）などがあります。[ 24 ]
建築音響学（建物音響学とも呼ばれる）は、建物内で良好な音響を実現する方法を科学的に理解することである。[ 25 ]一般的に、建築環境における音声明瞭度、音声プライバシー、音楽品質、振動低減の研究が含まれる。[ 26 ]一般的に研究される環境は、病院、教室、住宅、公演会場、録音スタジオ、放送スタジオである。重点的に検討される事項には、室内音響、建物構造における空気伝搬音と衝撃音の伝達、空気伝搬音と構造伝搬音の制御、建物システムの騒音制御、電気音響システムなどがある。[ 27 ]
生物音響学は、動物の聴覚や鳴き声、そして動物が生息地の音響や音によってどのように影響を受けるかを科学的に研究する学問である。[ 28 ]
この分野は、電子機器を使用した音声の録音、操作、再生に関係しています。[ 29 ]これには、携帯電話、大規模な拡声システム、研究室の仮想現実システムなどの製品が含まれる可能性があります。
環境音響学とは、騒音や振動、そしてそれらが構造物、物体、人間、動物に与える影響を研究する学問である。
これらの研究の主な目的は、環境騒音と振動のレベルを低減することです。環境音響学における典型的な作業と研究は、シミュレーションで使用されるモデルの開発、測定技術、騒音軽減戦略、および規格と規制の開発に関係しています。現在、研究は都市環境における音の積極的な利用、つまりサウンドスケープと静穏にも焦点を当てています。[ 30 ]
騒音や振動の発生源の例としては、鉄道[ 31 ] 、 道路交通、航空機、産業機器、レクリエーション活動[ 32 ]などが挙げられる。
音楽音響学は、音響楽器の物理学、電子音楽で使用される音声信号処理、音楽と作曲のコンピュータ分析、音楽の知覚と認知神経科学の研究である。[ 33 ]
音響と認知の関係、より一般的には心理音響学として知られる多くの研究が行われており、そこでは人が聞くものは知覚と生物学的側面の組み合わせである。[ 34 ]耳を通過する音波によって遮断された情報は脳によって理解され解釈され、心と音響のつながりが強調される。さまざまな聴覚刺激の結果として脳波が遅くなったり速くなったりすることで心理的変化が見られ、それが人の思考、感情、さらには行動の仕方に影響を与える可能性がある。[ 35 ]この相関関係は、アップビートまたはテンポの速い曲を聴くと足がトントンと鳴り始め、ゆっくりとした曲を聴くと穏やかで落ち着いた気分になるなど、通常の日常の状況で見ることができる。心理音響学の現象をより深く生物学的に見てみると、中枢神経系は音楽の基本的な音響特性によって活性化されることが発見された。[ 36 ]脳と脊髄を含む中枢神経系が音響によってどのように影響を受けるかを観察することで、音響が心、そして本質的には身体に影響を与える経路が明らかになる。[ 36 ]
音響学者は、音声の生成、処理、知覚を研究します。音声認識と音声合成は、コンピュータを使用した音声処理の重要な2つの分野です。この分野は、物理学、生理学、心理学、言語学の分野とも重なります。[ 37 ]
構造音響学とは、機械システムの運動と環境との相互作用、およびそれらの測定、分析、制御方法を研究する学問である。この分野にはいくつかの下位分野が存在する。
応用例としては、鉄道による地盤振動、手術室の振動を軽減するための防振、振動が健康に及ぼす影響（振動性白指症）の研究、地震から建物を守るための振動制御、または建物内を伝わる構造伝播音の測定などが挙げられる。[ 38 ]
超音波は、人間の耳には聞こえないほど高い周波数の音を扱います。専門分野には、医療用超音波（医療用超音波検査を含む）、超音波センサー、超音波化学、超音波試験、材料特性評価、水中音響（ソナー）などがあります。[ 39 ]
水中音響学は、水中の自然音と人工音を科学的に研究する学問である。応用例としては、潜水艦の位置を特定するためのソナー、クジラによる水中通信、音響的に海水温を測定することによる気候変動のモニタリング、音響兵器[ 40 ]、海洋生物音響学[ 41 ]などがある。
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