音響

音響学は、振動、音、超音波、超低周波音などのトピックを含む、気体、液体、固体の機械的波の研究を扱う物理学の分野です。音響の分野で働く科学者は音響学者であり、音響技術の分野で働く人は音響エンジニアと呼ばれることがあります。音響は現代社会のほぼすべての側面に応用されており、最も顕著なのはオーディオおよび騒音制御産業です。

聴覚は動物界で生き残るための最も重要な手段の 1 つであり、発話は人間の発達と文化の最も顕著な特徴の 1 つです。したがって、音響学の科学は、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ます。同様に、鳴鳥やカエルなどの動物種は、音と聴覚を交尾の儀式や縄張りのマーキングの重要な要素として使用します。芸術、工芸、科学、技術は、他の多くの知識分野と同様に、全体を前進させるために互いに刺激し合ってきました。ロバート ブルース リンゼイの「Wheel of Acoustics」は、音響学のさまざまな分野の概要として広く認められています。^[1]

「音響」という単語は、ギリシャ語のἀκουστικός ( acoustikos ) に由来し、「聴覚の、または聴覚のための、聞く準備ができている」^[2]を意味します。また、ἀκουστός ( acoustos )、「聞いた、聞こえる」^[3]という意味の語源は、さらに動詞のἀκούω( akouo )、「私は聞く」から来ています。^[4]

ラテン語の同義語は「sonic」で、その後sonicsという用語は音響学^[5]の同義語となり、後に音響学の一分野となった。^[5] 可聴範囲を超える周波数と可聴範囲未満の周波数は、それぞれ「超音波」と「超低周波」と呼ばれる。

紀元前6世紀、古代ギリシャの哲学者ピタゴラスは、ある組み合わせの音楽の音の方が他の組み合わせよりも美しく聞こえる理由を知りたがり、弦の倍音列を表す数値比率という形で答えを見つけました。 彼は、振動する弦の長さが整数の比率（たとえば、2対3、3対4）で表せる場合、生成される音は調和的になり、整数が小さいほど音が調和的になることを観察したと言われています。たとえば、ある長さの弦は、2倍の長さの弦と合わせると特に調和的に聞こえます（他の要素は同じ）。現代の言葉で言えば、弦をはじいてCの音が出る場合、2倍の長さの弦は1オクターブ低いCの音になります。ある音楽の調律システムでは、その間の音は昇順に、Dが16:9、Eが8:5、Fが3:2、Gが4:3、Aが6:5、Bが16:15と表されます。^[6]

アリストテレス（紀元前384-322年）は、音は空気の圧縮と希薄化から成り、「隣の空気に落ちて衝突する」と理解していた。 ^{[7] [8]これは}波動の性質をよく表している。ランプサコスのストラトンに帰せられる『聞こえたものについて』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られている。^[9]

紀元前20年頃、ローマの建築家で技術者のウィトルウィウスは、干渉、エコー、残響などの議論を含む劇場の音響特性に関する論文を執筆しました。これが建築音響学の始まりです。 ^[10]ウィトルウィウスは著書『建築十書』の第5巻で、音は3次元に拡張された水波に匹敵する波であり、障害物によって遮られると逆流して後続の波を分散させると説明しています。彼は、古代劇場の上昇する座席は音響の劣化を防ぐように設計されていたと説明し、劇場には適切なサイズの青銅製の容器（エケア）を設置して、4度、5度、そして2オクターブまで共鳴し、より望ましい調和のとれた音で共鳴するように推奨しました。^{[11] [12] [13]}

イスラムの黄金時代に、アブー・ライハーン・アル・ビールーニー（973-1048）は、音速は光速よりもはるかに遅いと仮定したと考えられています。^{[14] [15]}

音響プロセスの物理的理解は、科学革命の時代とその後急速に進展しました。主にガリレオ・ガリレイ(1564–1642) ですが、マリン・メルセンヌ(1588–1648) も独立して、振動する弦の完全な法則を発見しました(ピタゴラスとピタゴラス学派が 2000 年前に始めたことを完成させました)。ガリレオは「波は音​​響体の振動によって生成され、空気中を伝わり、耳の鼓膜に刺激をもたらし、脳が音として解釈する」と書いています。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発言です。空気中の音速の実験的測定は、1630 年から 1680 年の間に、メルセンヌを筆頭とする多くの研究者によって成功裏に実施されました。一方、ニュートン（1642-1727）は、固体中の波の速度に関する関係式を導き出し、これは物理音響学の基礎となった（『プリンキピア』、1687年）。

18世紀には、オイラー（1707-1783）、ラグランジュ（1736-1813）、ダランベール（1717-1783）らによって、より確固とした数学的・物理的概念に基づいた音響学の大きな進歩が遂げられた。この時代には、連続体物理学、つまり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、さまざまな文脈で登場した。^[16]

19 世紀の数理音響学の主要人物は、生理音響学の分野を統合したドイツのヘルムホルツと、それまでの知識と自身のこの分野への多大な貢献を統合した記念碑的な著書『音響理論』（1877 年）を著したイギリスのレイリー卿です。また、19 世紀には、ホイートストン、オーム、ヘンリーが電気と音響の類似性を開発しました。

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増しました。最初の応用は、建築音響におけるサビーネの画期的な研究であり、その後多くの応用が続きました。水中音響は、第一次世界大戦で潜水艦を探知するために使用されました。音声録音と電話は、社会の世界的な変革において重要な役割を果たしました。音響測定と分析は、電子工学とコンピューターの使用により、精度と洗練度の点で新たなレベルに達しました。超音波周波数範囲により、医療と産業でまったく新しい種類の応用が可能になりました。新しい種類のトランスデューサー (音響エネルギーのジェネレーターとレシーバー) が発明され、使用されました。

音響学は、 ANSI/ASA S1.1-2013で次のように定義されています。「(a)音の生成、伝達、生物学的および心理学的影響を含む効果を含む音の科学。(b) 聴覚効果に関する特性を決定する部屋の特性。」

音響学の研究は、機械的な波と振動の発生、伝播、受信を中心に行われます。

上の図に示されている手順は、あらゆる音響イベントまたはプロセスで見られます。原因には、自然のものと意志によるものの両方を含め、さまざまな種類があります。他の形式のエネルギーを音響エネルギーに変換して音波を生成する変換プロセスには、さまざまな種類があります。音波の伝播を説明する基本的な方程式が 1 つあります。それは音波方程式ですが、そこから生じる現象は多様で、多くの場合複雑です。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、やはり自然および/または意志によって作り出された方法で、再び他の形式に変換されます。最終的な影響は、純粋に物理的な場合もあれば、生物学的または意志的な領域にまで及ぶ場合もあります。5 つの基本手順は、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のいずれの場合でも同様に見られます。

音響プロセスの中心となる段階は波の伝播です。これは物理音響学の領域に属します。流体では、音は主に圧力波として伝播します。固体では、機械波は縦波、横波、表面波など、さまざまな形をとることができます。

音響学では、まず音波の圧力レベルと周波数、そして音波が環境とどのように相互作用するかに注目します。この相互作用は、回折、干渉、反射、またはこれら 3 つの混合として説明できます。複数の媒体が存在する場合は、屈折も発生する可能性があります。変換プロセスも音響学にとって特に重要です。

空気や水などの流体では、音波は周囲の圧力レベルの乱れとして伝播します。この乱れは通常は小さいですが、人間の耳には聞こえます。人が聞き取れる最小の音は可聴閾値と呼ばれ、周囲の圧力より 9 桁小さいです。これらの乱れの大きさは、デシベル単位の対数スケールで測定される 音圧レベル(SPL)と関連しています。

物理学者や音響技術者は、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、私たちの耳が音を解釈する方法が周波数であるという理由もあります。私たちが「高音」または「低音」として感じる音は、1 秒あたりのサイクル数が多い、または少ない圧力振動です。音響測定の一般的な手法では、音響信号が時間的にサンプリングされ、オクターブ バンドや時間周波数プロットなどのより意味のある形式で表示されます。これらの一般的な方法は両方とも、音を分析し、音響現象をより深く理解するために使用されます。

スペクトル全体は、音声、超音波、超低周波の 3 つのセクションに分けられます。音声範囲は 20 Hzから 20,000 Hz です。この範囲は、その周波数が人間の耳で感知できるため重要です。この範囲は、音声通信や音楽など、さまざまな用途に使用されています。超音波範囲は、20,000 Hz 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、画像技術でより優れた解像度が得られます。超音波検査やエラストグラフィーなどの医療用途は、超音波周波数範囲に依存しています。スペクトルの反対側にある最も低い周波数は、超低周波範囲として知られています。これらの周波数は、地震などの地質学的現象の研究に使用できます。

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視覚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、特定の音響信号に定義特性を与える時間的に変化する圧力レベルと周波数プロファイルのグラフィック表示です。

トランスデューサーは、ある形態のエネルギーを別の形態に変換する装置です。電気音響の文脈では、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ーには、スピーカー、マイク、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、電気信号を音波に変換したりします。最も広く使用されている変換原理は、電磁気、静電気、圧電性です。

最も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使用して波を生成し、圧力波を送信する電磁装置です。エレクトレット マイクとコンデンサー マイクは静電気を利用しています。つまり、音波がマイクの振動板に当たると、振動板が移動して電圧の変化を引き起こします。医療用超音波検査で使用される超音波システムでは、圧電トランスデューサーが使用されています。これらは、機械的な振動と電界が材料自体の特性を通じて相互にリンクされる特殊なセラミックで作られています。

音響学者は音響科学の専門家です。^[17]

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。音響学の学位を持つ人もいれば、物理学や工学などの分野の研究を経てこの分野に入る人もいます。音響の仕事の多くは、数学と科学の十分な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携わっています。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に基礎研究を行う人もいます。他の音響科学者は、水中音響、建築音響、構造音響など、音が環境中を移動する際に音がどのように影響を受けるかについての理解を深めています。その他の仕事分野は、以下のサブ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ます。教員（学術スタッフ）などの一部の職種では、博士号が必要です。

考古音響学は音の考古学としても知られ、目以外の感覚で過去を体験できる数少ない方法の一つです。^[18]考古音響学は、洞窟などの先史時代の遺跡の音響特性をテストすることで研究されます。音響考古学者のイェゴール・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。^[19]音響の考古学的理論は、洞窟内でのエコーロケーションの方法だけでなく、儀式的な目的にも焦点を当てています。考古学では、音響音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目的としていました。^[18]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。^[19]考古音響学はかなり新しい考古学分野であるため、音響音は今日でもこれらの先史時代の遺跡でテストされています。

航空音響学は、乱気流などの空気の動きによって発生する騒音や、流体空気中の音の動きを研究する学問です。この知識は音響工学に応用され、航空機を静かにする方法を研究しています。航空音響学は、管楽器の仕組みを理解する上で重要です。^[20]

音響信号処理は音響信号の電子的操作である。その応用分野には、アクティブノイズコントロール、補聴器や人工内耳の設計、エコーキャンセル、音楽情報検索、知覚コーディング（MP3やOpusなど）などがある。^[21]

建築音響学（建築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学問です。^[22]建築音響学では、通常、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、振動低減の研究が行われます。^[23]一般的に研究対象となる環境は、病院、教室、住居、演奏会場、録音スタジオ、放送スタジオです。焦点となる考慮事項には、室内音響、建築構造における空気伝播および衝撃伝播、空気伝播および構造伝播騒音制御、建築システムおよび電気音響システムの騒音制御などがあります [1]。

生物音響学は、動物の聴覚と鳴き声、そして動物が生息地の音響と音にどのように影響を受けるかを科学的に研究する学問です。^[24]

この分野は、電子機器を使用した音声の録音、操作、再生を扱っています。^{[25]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場合があります。

環境音響学は、鉄道、^[26] 道路交通、航空機、産業機器、レクリエーション活動によって引き起こされる騒音と振動を扱っています。^{[27]これらの研究の主な目的は、環境騒音と振動のレベルを下げることです。現在、研究は都市環境における音の積極的な利用、すなわち}サウンドスケープと静けさにも焦点を当てています。^[28]

音楽音響学は、アコースティック楽器の物理学、電子音楽で使用されるオーディオ信号処理、音楽と作曲のコンピューター分析、音楽の知覚と認知神経科学を研究する学問です。^[29]

この音響学のサブ分野の目標は、不要な音の影響を軽減することです。騒音研究の範囲には、騒音の発生、伝播、構造物、物体、人への影響が含まれます。

• 革新的なモデル開発
• 測定技術
• 緩和戦略
• 基準や規制の確立への貢献

騒音研究では、騒音が人間や動物に与える影響を調査し、定義、軽減、交通騒音、聴覚保護、ジェット機やロケットの騒音、建物システムの騒音と振動、大気中の音の伝播、サウンドスケープ、低周波音などの研究が含まれます。

音響と認知、あるいはより一般的には心理音響学として知られる関係を特定するための研究が多く行われており、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。^[30]音波が耳を通過することによって傍受された情報は、脳によって理解され解釈され、心と音響の関係を強調している。心理的変化は、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見られ、それが今度は人の考え方、感じ方、さらには行動にさえ影響を与える可能性がある。^[31]この相関関係は、アップビートまたはアップテンポの曲を聴くと足が踏み鳴らされたり、スローテンポの曲を聴くと穏やかで落ち着いた気分になったりするといった、通常の日常的な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ると、音楽の基本的な音響特性によって中枢神経系が活性化されることが発見された。^[32]脳や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及ぼす経路が明らかになります。^[32]

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2つの重要な分野です。この主題は、物理学、生理学、心理学、言語学の分野とも重複しています。^[33]

構造音響学は、機械システムとその環境の運動と相互作用、およびその測定、分析、制御の方法を研究する学問です[2]。この分野にはいくつかのサブ分野があります。

• モーダル解析
• 材料特性評価
• 構造健全性モニタリング
• 音響メタマテリアル
• 摩擦音響

応用例としては、鉄道による地面の振動、手術室の振動を減らすための防振、振動が健康にどのような害を及ぼすかの研究（振動白指）、建物を地震から守るための振動制御、建物内を伝わる構造音の測定などが挙げられます。^[34]

超音波は、人間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）、音響化学、超音波検査、材料特性評価、水中音響（ソナー）などがあります。^[35]

水中音響学は、水中の自然音と人工音の科学的研究です。その応用分野には、潜水艦の位置を特定するためのソナー、クジラによる水中コミュニケーション、音響的に海水温を測定することによる気候変動の監視、音響兵器、^[36]および海洋生物音響学などがあります。^[37]

• インターノイズ
• ノイズコン
• フォーラム・アコースティカム
• SAE 騒音・振動会議および展示会

• アメリカ音響学会（ASA）
• オーストラリア音響学会 (AAS)
• 欧州音響協会（EAA）
• 電気電子技術者協会(IEEE)
• 音響学研究所(IoA UK)
• オーディオエンジニアリング協会(AES)
• アメリカ機械学会騒音制御音響部門(ASME-NCAD)
• 国際音響委員会(ICA)
• アメリカ航空宇宙学会航空音響学(AIAA)
• 国際コンピュータ音楽協会(ICMA)

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• 波動

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• 国際音響委員会
• 欧州音響協会
• アメリカ音響学会
• 騒音制御技術者協会
• 全米音響コンサルタント協会
• 英国音響研究所
• オーストラリア音響学会 (AAS)