音

ドラム - ケイデンス A

アメリカ海軍バンドによるドラムのリズム

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物理学において、音は気体、液体、固体などの伝送媒体を介して音波として伝播する振動です。人間の生理学と心理学において、音とはそのような波が脳で受信され、知覚されることです。^[1]可聴周波数範囲である約20 Hzから20 kHzの間の周波数を持つ音波だけが、人間の聴覚を引き出しています。大気圧の空気中では、これらは17メートル（56フィート）から1.7センチメートル（0.67インチ）の 波長を持つ音波を表します。20 kHzを超える音波は超音波と呼ばれ、人間には聞こえません。20 Hz未満の音波は超低周波音として知られています。動物の種によって可聴範囲は異なります。

音は「(a) 内部力（弾性または粘性など）を持つ媒体中を伝播する圧力、応力、粒子変位、粒子速度などの振動、またはそのような伝播する振動の重ね合わせ。(b) (a) で説明した振動によって引き起こされる聴覚感覚」と定義されます。 ^[2]音は、空気またはその他の弾性媒体中の波動として考えることができます。この場合、音は刺激です。音は、音の知覚につながる聴覚機構の刺激として見ることもできます。この場合、音は感覚です。

音響学は、振動、音、超音波、超低周波音を含む気体、液体、固体の機械的波の研究を扱う学際的な科学です。音響の分野で働く科学者は音響学者であり、音響工学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。^[3]一方、オーディオエンジニアは、音の録音、操作、ミキシング、再生に携わってい ます。

音響学の応用は現代社会のほぼすべての側面に見られ、その分野としては航空音響学、音声信号処理、建築音響学、生物音響学、電気音響学、環境騒音、音楽音響学、騒音制御、心理音響学、音声、超音波、 水中音響学、振動などがある。^[4]

音は、空気、水、固体などの媒体を縦波として伝播するほか、固体内では横波としても伝播します。音波は、ステレオスピーカーの振動板などの音源によって生成されます。音源は周囲の媒体に振動を発生させます。音源が媒体を振動させ続けると、振動は音速で音源から遠ざかって伝播し、音波を形成します。音源から一定の距離では、媒体の圧力、速度、変位は時間とともに変化します。ある瞬間には、圧力、速度、変位は空間的に変化します。媒体の粒子は音波とともに移動しません。これは固体の場合直感的に明らかであり、液体や気体でも同様です（つまり、気体や液体内の粒子の振動が振動を伝達しますが、粒子の平均位置は時間とともに変化しません）。伝播中、波は媒体によって反射、屈折、または減衰することがあります。 ^[5]

音の伝播の挙動は、一般的に次の 3 つの要因によって影響を受けます。

• 媒体の密度と圧力の間の複雑な関係。温度の影響を受けるこの関係によって、媒体内の音速が決まります。
• 媒体自体の動き。媒体が動いている場合、この動きによって、動きの方向に応じて音波の絶対速度が増減することがあります。たとえば、風の中を移動する音は、音と風が同じ方向に動いている場合、風速によって伝播速度が増します。音と風が反対方向に動いている場合、音波の速度は風速によって減少します。
• 媒体の粘性。媒体の粘性によって、音が減衰する速度が決まります。空気や水などの多くの媒体では、粘性による減衰はごくわずかです。

音が一定の物理的性質を持たない媒体を通過するとき、音は屈折（分散または集中）することがあります。^[5]

音として解釈できる機械的振動は、気体、液体、固体、プラズマなど、あらゆる形態の物質を伝わります。音を支える物質は媒体と呼ばれます。音は真空中を伝わりません。^{[6] [7]}

研究によると、音波は微量の質量を運ぶことができ、弱い重力場に囲まれていることがわかっています。^[8]

音は、縦波（圧縮波とも呼ばれる）として気体、プラズマ、液体中を伝わります。伝播するには媒体が必要です。ただし、固体中は縦波と横波の両方として伝わります。縦波は平衡圧力からの圧力偏差が交互に生じる波で、局所的な圧縮と希薄化を引き起こします。一方、横波（固体内）は伝播方向に対して直角の せん断応力が交互に生じる波です。

音波は放物面鏡や音を出す物体を使って観察することができます。^[9]

振動する音波によって運ばれるエネルギーは、物質の余分な圧縮（縦波の場合）または横方向の変位ひずみ（横波の場合）の位置エネルギーと、媒体の粒子の変位速度の運動エネルギーとの間で変換されます。

音の伝達には多くの複雑な要素がありますが、受信点（耳）では、音は圧力と時間という 2 つの単純な要素に簡単に分けられます。これらの基本要素は、すべての音波の基礎を形成します。これらを使用して、私たちが聞くすべての音を絶対的な言葉で表現することができます。

音をより完全に理解するために、このテキストの右側の青い背景に示されているような複雑な波は、通常、さまざまな音波周波数（およびノイズ）の組み合わせである構成要素に分離されます。^{[10] [11] [12]}

音波は、多くの場合、正弦 平面波の観点から説明され、次のような一般的な特性を特徴とします。

• 周波数、またはその逆である波長
• 振幅、音圧、強度
• 音速
• 方向

人間が知覚できる音の周波数は約 20 Hz から 20,000 Hz です。標準温度および標準気圧の空気中では、対応する音波の波長は 17 m (56 フィート) から 17 mm (0.67 インチ) の範囲です。速度と方向を組み合わせて速度 ベクトルとしたり、波数と方向を組み合わせて波数ベクトルとしたりすることがあります。

横波はせん断波としても知られ、縦波にはない偏光^{という特性も持っています。 [13]}

音速は、音波が通過する媒体によって決まり、物質の基本的な特性です。音速の測定に向けた最初の重要な取り組みは、アイザック・ニュートンによって行われました。彼は、特定の物質内の音速は、その物質に作用する圧力の平方根をその物質の密度で割った値に等しいと考えました。

${\displaystyle c={\sqrt {\frac {p}{\rho }}}.}$

これは後に誤りであることが証明され、フランスの数学者ラプラスが、音の伝わる現象はニュートンが信じていたような等温ではなく、断熱であると推論して式を訂正しました。彼は式にもう 1 つの要素γを追加し、 を掛けて式 を導き出しました 。 で ある ため 、最終的な式は となり 、これはニュートン - ラプラス方程式としても知られています。 この方程式で、Kは弾性体積弾性率、cは音速、 は密度です。したがって、音速は媒体の 体積弾性率と密度の比の平方根に比例します。${\displaystyle {\sqrt {\gamma }}}$${\displaystyle {\sqrt {p/\rho }}}$${\displaystyle c={\sqrt {\gamma \cdot p/\rho }}}$${\displaystyle K=\gamma \cdot p}$${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$${\displaystyle \rho}$

これらの物理的特性と音速は、周囲の条件によって変化します。たとえば、気体中の音速は温度に依存します。海面で 20 °C (68 °F) の空気中における音速は、式 v [ m  /s] = 331 + 0.6  T  [°C]を使用すると約 343 m/s (1,230 km/h、767 mph) になります。音速は、2 次非調和効果の影響を受けるため、音の振幅に対してもわずかに敏感です。つまり、元の音には存在しない倍音や混合音の生成など、非線形伝播効果があるということです (パラメトリック配列を参照)。相対論的効果が重要である場合、音速は相対論的オイラー方程式から計算されます。

淡水中の音速はおよそ1,482 m/s（5,335 km/h; 3,315 mph）である。鋼鉄中の音速はおよそ5,960 m/s（21,460 km/h; 13,330 mph）である。音速は固体の原子水素中で最も速く伝わり、およそ36,000 m/s（129,600 km/h; 80,530 mph）である。^{[15] [16]}

音圧とは、特定の媒体における平均局所圧力と音波の圧力との差です。この差の二乗 (つまり、平衡圧力からの偏差の二乗) は通常、時間および/または空間にわたって平均化され、この平均の平方根が二乗平均平方根(RMS) 値となります。たとえば、大気中の 1 Pa RMS 音圧 (94 dBSPL) は、音波の実際の圧力が (1 atmPa) と (1 atmPa) の間、つまり 101323.6 から 101326.4 Pa の間で振動していることを意味します。人間の耳は広範囲の振幅の音を感知できるため、音圧は対数デシベルスケールのレベルとして測定されることがよくあります。音圧レベル(SPL) またはL _pは次のように定義されます ${\displaystyle -{\sqrt {2}}}$${\displaystyle +{\sqrt {2}}}$

${\displaystyle L_{\mathrm {p} }=10\,\log _{10}\left({\frac {{p}^{2}}{{p_{\mathrm {ref} }}^{2}}}\right)=20\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{\mathrm {ref} }}}\right){\mbox{ dB}}\,}$

ここで、p は二乗平均平方根音圧で、 は基準音圧です。ANSI S1.1-1994規格で定義されている一般的な基準音圧は、空気中で20 μPa 、水中で 1 μPaです。基準音圧が指定されていない場合、デシベルで表された値は音圧レベルを表すことができません。${\displaystyle p_{\mathrm {ref} }}$

人間の耳は平坦なスペクトル応答を持たないため、音圧は多くの場合、測定レベルが知覚レベルに近づくように周波数重み付けされます。国際電気標準会議(IEC) は、いくつかの重み付け方式を定義しています。A重み付けは、人間の耳のノイズに対する応答に一致させようとします。A 重み付けされた音圧レベルは dBA と表示されます。C 重み付けは、ピーク レベルを測定するために使用されます。

物理学における音という用語の用法と異なるのは、生理学と心理学における用法で、この用語は脳による知覚の対象を指す。心理音響学の分野は、このような研究に特化している。ウェブスターの辞書では、音を次のように定義している。「1. 聴覚の感覚、聞こえるもの。具体的には、a. 精神物理学。通常は空気などの物質媒体で伝達される振動によって脳の聴覚神経と聴覚中枢が刺激され、聴覚器官に影響を及ぼすことによる感覚。b. 物理学。このような感覚を引き起こす振動エネルギー。音は進行性の縦方向の振動障害 (音波) によって伝播する。」^[17]つまり、「森で木が倒れても、それを聞く人が周りにいなければ、音は出るか」という質問に対する正しい回答は、それぞれ物理的定義で答えるか、心理物理学的定義で答えるかによって、「はい」と「いいえ」になる。

聴覚を持つ生物が物理的に音を受容できる範囲は、一定範囲の周波数に限られています。人間は通常、約 20  Hzから 20,000 Hz (20  kHz ) の音周波数を聞き取ることができます。^{[18] : 382}上限は加齢とともに低下します。^{[18] : 249}音は、人間の可聴範囲内の周波数の振動のみを指す場合もあれば^[19]、特定の動物に関係する場合もあります。他の種は異なる可聴範囲を持っています。たとえば、犬は 20 kHz を超える振動を知覚できます。

音は、主要な感覚の 1 つで感知される信号として、多くの種によって危険の検知、ナビゲーション、捕食、コミュニケーションに使用されています。地球の大気、水、および火、雨、風、波、地震などのほぼすべての物理現象は、その固有の音を生み出します (そして、その固有の音によって特徴付けられます)。カエル、鳥、海洋および陸生哺乳類など、多くの種も音を出すための特別な器官を発達させています。一部の種では、これらの器官が歌や会話を生み出します。さらに、人類は文化や技術 (音楽、電話、ラジオなど) を発達させ、音を生成、録音、送信、放送できるようにしました。

ノイズは、望ましくない音を指すのによく使われる用語です。科学や工学では、ノイズは必要な信号を不明瞭にする望ましくない要素です。しかし、音の知覚では、ノイズは音源を識別するために使用されることが多く、音色の知覚の重要な要素です (以下を参照)。

サウンドスケープは、人間が知覚できる音響環境の構成要素です。音響環境とは、周囲の環境の文脈において、特定のエリア内のすべての音（人間が聞き取れるかどうかに関係なく）が環境によって変化し、人間が理解する組み合わせです。

歴史的に、音波を分析する方法は実験的に分離可能な6つあります。それは、 ピッチ、持続時間、音量、音色、音の質感、 空間位置です。^[20]これらの用語の中には標準化された定義を持つものもあります（たとえば、ANSI音響用語集ANSI/ASA S1.1-2013 ）。最近のアプローチでは、時間的エンベロープと時間的微細構造も知覚的に関連する分析として考慮されています。^{[21] [22] [23]}

ピッチは、音が「低い」または「高い」かとして認識され、音を構成する振動の周期的、反復的な性質を表します。単純な音の場合、ピッチは音の中で最も遅い振動の周波数（基本倍音と呼ばれる）に関連します。複雑な音の場合、ピッチの認識は異なる場合があります。特定の音パターンの個人的な経験に基づいて、個人が同じ音に対して異なるピッチを識別する場合があります。特定のピッチの選択は、振動の周波数とそれらのバランスを含む振動の意識的な検査によって決定されます。潜在的な倍音を認識することに特に注意が払われます。^{[24] [25]} すべての音は、低音から高音までのピッチの連続体上に配置されます。

たとえば、ホワイト ノイズ(すべての周波数にわたって均等に広がるランダム ノイズ)は、高周波成分が多いため、 ピンク ノイズ(オクターブにわたって均等に広がるランダム ノイズ)よりもピッチが高く聞こえます。

持続時間は、音が「長い」または「短い」と認識され、音に対する神経反応によって生成される開始信号と終了信号に関係します。音の持続時間は通常、音が最初に認識されたときから、音が変化または停止したと認識されるまで続きます。^[26]これは、音の物理的な持続時間とは直接関係しない場合があります。たとえば、ノイズの多い環境では、同じ一般的な帯域幅のノイズによる中断により、オフセットメッセージが失われるため、ギャップのある音（停止して開始する音）が連続しているように聞こえることがあります。^[27]これは、干渉を受ける無線信号などの歪んだメッセージを理解するのに非常に役立ちます。この効果により、メッセージが連続しているように聞こえるためです。

音の大きさは、音の「大きさ」または「小ささ」として知覚され、短い周期的時間間隔、おそらくはシータ波周期の持続時間にわたる聴神経刺激の総数に関係します。^{[28] [29] [30]}これは、持続時間が短い場合、非常に短い音は、同じ強度レベルで提示された場合でも、長い音よりも小さく聞こえる可能性があることを意味します。約200ミリ秒を超えると、これは当てはまらなくなり、音の持続時間は音の見かけの大きさに影響を与えなくなります。

音色は、様々な音の質（例えば、落ちた岩の音、ドリルの回転音、楽器の音色、声質）として知覚され、音に対する音響的アイデンティティの事前意識的割り当てを表します（例えば、「それはオーボエだ！」）。このアイデンティティは、周波数の遷移、雑音、不安定さ、知覚されるピッチ、および長時間にわたる音の倍音の広がりと強度から得られる情報に基づいています。^{[10] [11] [12]}時間の経過とともに音が変化する様子が、音色識別のためのほとんどの情報を提供します。各楽器の波形の小さな部分は非常によく似ていますが、クラリネットとピアノの時間的変化の違いは、音量と倍音成分の両方で明らかです。クラリネットの空気シューという音やピアノのハンマーの打撃音など、聞こえるノイズの違いはあまり目立ちません。

音のテクスチャは、音源の数とそれらの相互作用に関係しています。^{[31] [32]この文脈での}テクスチャという言葉は、聴覚オブジェクトの認知的分離に関係しています。^{[33]音楽では、テクスチャは}ユニゾン、ポリフォニー、ホモフォニーの違いを指すことが多いですが、（例えば）混雑したカフェの不協和音とも呼ばれる音を指すこともあります。

空間的位置は、環境的コンテキストにおける音の認知的配置を表し、水平面と垂直面の両方における音の配置、音源からの距離、音響環境の特性などが含まれます。^{[33] [34]}厚いテクスチャでは、空間的位置と音色の識別を組み合わせて複数の音源を識別することが可能です。

超音波は、20,000 Hz を超える周波数の音波です。超音波は物理的特性において可聴音と変わりませんが、人間には聞こえません。超音波デバイスは、20 kHz から数 GHz までの周波数で動作します。

医療用超音波は診断や治療によく使用されます。

超低周波音は、20 Hz未満の周波数の音波です。このような低周波の音は、人間が音程として聞くには低すぎますが、これらの音は離散的なパルスとして聞こえます（アイドリング中のバイクの「ポン」という音のように）。クジラ、ゾウ、その他の動物は超低周波音を感知し、コミュニケーションに利用します。火山の噴火を感知するために使用したり、一部の種類の音楽に使用したりすることもできます。^[35]

WikiquoteにSoundに関連する引用があります。

Wikibooksには、サウンドに関する詳細が掲載されています。

ウィキメディア・コモンズには、音に関連するメディアがあります。

Wikisource にはこの記事に関連する原文があります:

音

• エリック・マック（2019年5月20日）。「スタンフォード大学の科学者が、水を瞬時に沸騰させるほど大きな音を作った」CNET。
• Sounds Amazing; 音と波に関する KS3/4 学習リソース (Flash を使用) 2012-03-13 にWayback Machineでアーカイブ
• ハイパーフィジックス：音と聴覚
• 音の物理学入門
• 聴力曲線とオンライン聴力検査
• 21世紀のオーディオ 2009-01-23ウェイバックマシンにアーカイブ
• 音の単位とレベルの変換
• 健全な計算
• オーディオチェック: オンラインで再生できるオーディオテストとテストトーンの無料コレクション
• More Sounds Amazing; 音波に関する6年生向けの学習リソース