超低周波音

超低周波音は、低周波音または（曖昧に）亜音速（亜音速は「音速より遅い」という意味）とも呼ばれ、^{[ 1 ]}人間の可聴域の下限（一般的にANSI/ASA S1.1-2013規格で定義されている20 Hz ）を下回る周波数の音波を指します。^{[ 2 ]}周波数が低くなるにつれて聴覚の感度は徐々に低下するため、人間が超低周波音を知覚するには、音圧が十分に高くなければなりません。耳は低音を感知する主要な器官ですが、強度が高い場合は、体のさまざまな部分で超低周波音の振動を感じることができます。

このような音波の研究は、 20Hz以下から0.1Hz （まれに0.001Hzまで）の音域を対象とする超低周波音学と呼ばれることもあります。この周波数帯は、地震や火山の監視、地中の岩石や石油の地層調査、そして人間の心血管系の力学的特性を研究するための弾道心電図検査や地震心電図検査などに利用されています。   

超低周波音は、障害物をほとんど減衰せずに迂回できるという特徴があります。音楽では、大型パイプオルガンなどの音響導波管方式や、再生においては、伝送線路、回転式ウーファー、従来のサブウーファーなどの特殊なスピーカー設計によって、超低周波音に近い低周波音を生成できます。超低周波音を生成するように設計されたサブウーファーは、市販されているほとんどのサブウーファーよりも1オクターブ以上低い音を再生でき、サイズも通常10倍ほどになります。^{[ 3 ]}

超低周波音の研究の先駆者の一人は、フランスの科学者ウラジミール・ガヴローでした。^{[ 4 ]}彼が超低周波音波に興味を持ったのは、1957年に彼と研究チームが働いていた大きなコンクリートの建物でのことでした。研究チームは、周期的にひどく不快な吐き気に襲われていました。吐き気の原因について何週間も憶測を重ねた後 （チームは、病原体か、施設内で発生している有害な化学物質の蒸気の漏れが原因だと確信していました） 、彼らは「緩くバランスのとれた低速モーターが、これらの吐き気を催す振動を発生させている」ことを発見しました。^{[ 4 ]}

ガヴローとチームが振幅とピッチを測定しようとしたとき、機器が可聴音を検出しなかったことに彼らは衝撃を受けた。彼らは、モーターによって発生する音のピッチが非常に低く、人間の聴覚能力を下回っており、録音機器ではこれらの周波数を検出できないと結論付けた。誰もそのような低周波数で音が存在するとは考えておらず、そのためそれを検出するための機器は開発されていなかった。最終的に、吐き気を誘発する音は、建物のダクトと構造に共振モードを誘発し、音を大幅に増幅する7サイクル/秒の超低周波音波であることが判明した。 ^{[ 4 ]}この偶然の発見を受けて、研究者たちはすぐに研究所でさらなる超低周波テストの準備に取り掛かった。彼の実験の1つは、超低周波笛、特大のオルガンパイプだった。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}このような事例や類似の事例の結果、新しい建築物では、空洞内の超低周波共鳴を検査して除去し、防音材や特殊な音響特性を持つ材料を導入することが一般的になっています。

超低周波音は、自然発生源と人工発生源の両方から発生する可能性がある。

• 自然現象: 超低周波音は、悪天候、波浪^{[ 8 ]} 、風下波、雪崩、地震、火山^{[ 9 ] [ 10 ]} 、火球^{[ 11 ]} 、滝、氷山の崩落、オーロラ、流星、雷、上層大気の雷^{[ 12 ]}などによって自然に発生することがあります。海洋嵐における非線形海洋波相互作用は、マイクロバロムとして知られる約0.2 Hzの広範囲にわたる超低周波振動を生成します^{[ 13 ]}。NOAAの超低周波プログラムによると、超低周波アレイはロッキー山脈の雪崩の位置を特定したり、高地平原で竜巻が地上に到達する数分前に竜巻を検出したりするために使用できます^{[ 14 ] 。} 

• 動物のコミュニケーション:クジラ、ゾウ、^{[ 15 ]}カバ、^{[ 16 ]}サイ、^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}キリン、^{[ 20 ]}オカピ、^{[ 21 ]}クジャク、^{[ 22 ]}ワニは、クジラの場合は数百マイルもの距離を越えて通信するために超低周波音を使用することが知られています。特に、スマトラサイはザトウクジラの歌 と類似した3 Hzという低い周波数の音を出すことが示されています。^{[ 18 ]}トラの咆哮には18 Hz以下の超低周波音が含まれており、^{[ 23 ]}ネコ科動物のゴロゴロ音は20～50 Hzの範囲をカバーすると報告されています。^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}また、渡り鳥は山脈上空の乱流などの発生源から自然に発生する超低周波音を航行補助として利用しているという説もある。^{[ 27 ]}超低周波音は長距離通信にも利用される可能性があり、特にヒゲクジラやアフリカゾウではよく記録されている。^{[ 28 ]}ヒゲクジラの音の周波数は 10 Hzから31 kHz までであり、^{[ 29 ]}ゾウの鳴き声の周波数は 15 Hz から 35 Hz までである。どちらも非常に大きな音（約 117 dB ）を発し、何キロメートルも離れた場所まで通信が可能で、ゾウの場合は最大で約10 km (6 mi)まで、一部のクジラの場合は数百キロメートルまたは数千キロメートルまで通信できる可能性がある。^{[ 30 ] [ 31 ]}ゾウはまた、固い地面を伝わる超低周波音波を発し、数百キロメートル離れていても他の群れが足でそれを感知します。これらの鳴き声は群れの移動を調整したり、交尾中のゾウに知らせたりするために使われます。        お互いを見つけるために。^{[ 32 ]}

• 人間の歌手：ティム・ストームズを含む一部のボーカリストは、超低周波域の音を出すことができる。^{[ 33 ]}

• 人工的な発生源: 超低周波音は、ソニックブームや爆発(化学爆発と核爆発の両方) などの人間のプロセス、またはディーゼルエンジン、風力タービン、特別に設計された機械式トランスデューサー(工業用振動台) などの機械によって発生する可能性があります。特定の特殊なスピーカー設計では、極めて低い周波数を再生することもできます。これには、大型のロータリーウーファー型サブウーファー^{[ 34 ]}、大型のホーンロード型、バスレフ型、密閉型、伝送線路型スピーカー^{[ 35 ] [ 36 ]が含まれます。}

一部の動物は、自然災害によって地球を伝わる超低周波音波を感知し、それを早期警報として利用していると考えられている。その一例が、2004年のインド洋地震と津波である。動物たちは、実際の津波がアジアの海岸に到達する数時間前にその地域から逃げ出したと報告されている。^{[ 37 ] [ 38 ]}これが原因であるとは断定できない。超低周波音波ではなく、電磁波の影響がこれらの動物の逃走を促した可能性があると示唆する人もいる。^{[ 39 ]}

米国地質調査所のジョン・ハグストラムによる2013年の研究では、伝書鳩は低周波の超低周波音を使ってナビゲーションしていることが示唆されている。^{[ 40 ]}

20  Hz は人間の聴覚の通常の低周波限界と考えられています。理想的な条件下で非常に大きな音量で純粋な正弦波を再生すると、人間のリスナーは 12  Hz という低い音を識別することができます。^{[ 41 ]} 10  Hz 未満では、鼓膜の圧力感とともに音の個々のサイクルを知覚することができます。

約 1,000  Hz から、聴覚系のダイナミック レンジは周波数の低下とともに減少します。この圧縮は等ラウドネス レベルの輪郭で観察でき、レベルのわずかな増加でも知覚されるラウドネスがほとんど聞こえない状態から大きな音に変化する可能性があることを意味します。集団内の閾値の自然なばらつきと相まって、その影響により、一部の人には聞こえない非常に低い周波数の音が、他の人には大きな音に聞こえる可能性があります。^{[ 42 ]}

ある研究では、超低周波音は人間に畏敬の念や恐怖感を引き起こす可能性があると示唆されている。また、超低周波音は意識的に知覚されないため、奇妙な出来事や超自然的な出来事が起こっているという漠然とした感覚を人々に与える可能性があるとも示唆されている。^{[ 43 ]}

シドニー大学の聴覚神経科学研究所で働く科学者は、超低周波音が前庭系を刺激することで一部の人々の神経系に影響を与える可能性があるという証拠が増えていると報告しており、動物モデルでは船酔いに似た効果が示されています。^{[ 44 ]}

2006年に実施された風力タービンからの騒音放出が近隣住民に与える影響に焦点を当てた研究では、知覚される超低周波音は、その強度に応じて、不快感や疲労感などの影響と関連付けられており、人間の知覚閾値以下の超低周波音の生理学的影響を裏付ける証拠はほとんどありません。^{[ 45 ]}しかし、その後の研究では、聞こえない超低周波音は、満腹感、圧迫感、耳鳴りなどの影響と関連付けられており、睡眠を妨げる可能性があることを認めています。^{[ 46 ]}他の研究でも、タービンの騒音レベルと近隣住民の自己申告による睡眠障害との関連性が示唆されていますが、この影響に対する超低周波音の寄与はまだ完全には理解されていません。^{[ 47 ] [ 48 ]}

茨城大学の研究では、研究者らは脳波検査の結果、風力タービンから発生する超低周波音は「現代の大型風力タービンの近くで働く技術者にとって迷惑なものと見なされている」と述べた。^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

ドルトムント工科大学の音響兵器専門家であるユルゲン・アルトマン氏は、超低周波音によって吐き気や嘔吐が引き起こされるという信頼できる証拠はないと述べている。^{[ 52 ]}

コンサートでのサブウーファーアレイによる大音量は、サブウーファーに非常に近い場所にいる人、特に背が高く痩せている喫煙者の肺虚脱を引き起こすことが指摘されている。 ^{[ 53 ]}

2009年9月、ロンドンの学生トム・リードは、クラブのスピーカーから出る「大きな低音」が「心臓に響く」と訴えた後、クラブで突然不整脈死症候群（SADS）により死亡した。検死では自然死との評決が下されたが、一部の専門家は低音が引き金になった可能性を指摘した。^{[ 54 ]}

空気は、トランスデューサーから人体に低周波振動を伝えるのに非常に非効率的な媒体です。^{[ 55 ]}しかし、振動源と人体を機械的に接続すると、潜在的に危険な組み合わせになります。ロケット飛行が宇宙飛行士に及ぼす有害な影響を懸念した米国の宇宙計画では、振動台に取り付けられたコックピットの座席を使用して「ブラウンノート」やその他の周波数を被験者に直接伝える振動テストを命じました。2  ～3 Hz の周波数で 160 dB という非常に高い電力レベルが達成されました 。テスト周波数は 0.5  Hz から 40 Hz の範囲でした。被験者は運動失調、吐き気、視覚障害、作業パフォーマンスの低下、コミュニケーションの困難に苦しみました。これらのテストは、研究者によって「ブラウンノート」とその影響に関する現在の都市伝説 の核心であると想定されています。^{[ 56 ] [ 57 ]}

報告書「低周波騒音とその影響に関する既発表研究のレビュー」^{[ 58 ]}には、人間と動物における高レベルの超低周波音への曝露に関する研究が多数掲載されている。例えば、1972年にボレドンは42人の若い男性を7.5  Hz、130  dBの音に50分間曝露した。この曝露では、眠気とわずかな血圧上昇以外に悪影響はなかった。1975年にスラーブとジョンソンは4人の男性被験者を1～20  Hzの周波数の超低周波音に一度に8分間、最大144  dB SPLのレベルで曝露した。軽度の耳の不快感以外に有害な影響は認められなかった。動物に対する高強度超低周波音の試験では、細胞の変化や血管壁の破裂など、測定可能な変化が生じた。

1959年にディアトロフ峠で遺体で発見された9人のソ連人ハイカーの死因として、超低周波音が仮説の一つとして挙げられている。^{[ 59 ]}

NASAラングレー研究所は、これまで不可能だった場所で有用な超低周波音測定を行うことができる超低周波音検出システムを設計・開発しました。このシステムは、直径3インチの振動板を持つエレクトレットコンデンサーマイクロホンPCBモデル377M06と、小型でコンパクトなウインドスクリーンで構成されています。 ^{[ 75 ]}エレクトレットベースの技術は、サポート電子機器（プリアンプ）で発生するジョンソンノイズが最小限に抑えられるため、可能な限り低いバックグラウンドノイズを提供します。 ^{[ 75 ]}

このマイクロホンは、大きなバックチャンバー容積、プリポラライズドバックプレーン、およびバックチャンバー内に配置された高インピーダンスプリアンプを備えた高コンプライアンスのメンブレンを特徴としています。ウインドスクリーンは、物質を透過する超低周波音の高い透過係数に基づいて、音響インピーダンスの低い材料で作られており、構造的安定性を確保するために十分な厚さの壁を備えています。^{[ 76 ]}クローズドセルポリウレタンフォームは、この目的に適していることがわかりました。提案されたテストでは、テストパラメータは、感度、バックグラウンドノイズ、信号忠実度（高調波歪み）、および時間的安定性になります。

マイクロフォンの設計は、超低周波音の特異な特性を考慮している点で、従来のオーディオシステムとは異なります。まず、超低周波音は、大気吸収が非常に低いことと、地球表面と成層圏の間で複数回反射することで伝搬を可能にする屈折ダクト効果により、地球の大気中を長距離にわたって伝搬します。あまり注目されてこなかった2つ目の特性は、超低周波音が固体物質を透過する能力が非常に高いことです。 この特性は、システムのウインドスクリーンの設計と製造に利用されています。^{[ 76 ]}

このように、このシステムは音響学の応用にとって有利ないくつかの計測要件を満たしています。(1) 特に背景雑音の少ない低周波マイクロホンにより、低周波通過帯域内の低レベル信号の検出が可能。(2) 小型でコンパクトなウインドスクリーンにより、(3) マイクロホンアレイを現場で迅速に展開可能。また、このシステムは、低周波音源のリアルタイム検出、方位、および特徴を可能にするデータ収集システムを備えています。^{[ 76 ]}

2017年の映画『ザ・サウンド』は、超低周波音を主要なプロット要素として使用しています。^{[ 82 ] [ 83 ]}

フランスとベルギーの共同制作テレビシリーズ『アストリッドとラファエル』の2020年のエピソード「フェルマータ」では、パリにあるラジオ・フランスの本部、メゾン・ド・ラ・ラジオ・エ・ド・ラ・ミュージックのグランド・オーディトリアムのパイプオルガンに隠された発生器から発せられる超低周波音が、殺人凶器として使用される。

「幽霊周波数」現象は、テレビシリーズ『Evil』シーズン3第4話「The Demon of the Road」と、テレビシリーズ『NCIS』シーズン23第3話「The Sound and the Fury」で言及されている。

注記

参考文献

• ガンダーセン、P. エリック。『便利な物理学解答集』。Visible Ink Press、2003年。
• チェッド、グラハム。『音：通信から騒音公害まで』ダブルデイ社、1970年。
• O'Keefe, Ciaran、およびSarah Angliss。「ライブコンサートにおける超低周波音の主観的効果」。CIM04 ：学際的音楽学会議。オーストリア、グラーツ：グラーツ大学出版局、2004年。132-133頁。
• ディスカバリーチャンネルの番組「Discovery's Biggest Shows」は、2007年10月7日（日）午後8時 （インド標準時）にインドのディスカバリーチャンネルで放送されました。

• NOAA超低周波音プログラム（アーカイブ）
• 米国陸軍宇宙ミサイル防衛司令部監視研究プログラム（アーカイブ）
• ロスアラモスインフラサウンドモニタリング研究所（アーカイブ）
• 1991 年 6 月 15 日のピナツボ山噴火によって生成された超低周波および音響重力波、田平 誠、野村正博、澤田 義弘、加茂 康介
• 屋外超低周波音測定用地中式防風スクリーン Qamar A. Shams、Cecil G. Burkett、Toby Comeaux（NASAラングレー研究センター）、Allan J. Zuckerwar（Analytical Services and Material）、George R. Weistroffer（バージニア・コモンウェルス大学）