音

音。ドラムを叩くと、ドラムヘッドが振動し、その振動が波の形で空気中に伝わります。それらが耳に当たると、これらの波は音の感覚を生み出します。ただし、聞こえない音もあります。人間の可聴範囲より下の超低周波音と、人間の可聴範囲より上の超音波です。

音の研究で使用される用語

音響学は、音とその人への影響の科学です。

結露は、音波の中で、音波媒体が通常よりも密度が高い領域です。

デシベル（dB）は、音の強さを測定するために使用される単位です。0 dBの3,000ヘルツの音は、通常の人間の耳に聞こえる最も柔らかい音です。

音の周波数は、1秒間に特定のポイントを通過する音波の数です。

ヘルツは音波の周波数を測定するために使用される単位です。1ヘルツは、1秒あたり1サイクル（振動または音波）に相当します。

音の強さは、その波の力の尺度です。

ラウドネスとは、音を聞いたときにどれだけ強い音が聞こえるかを指します。

ノイズは、不快で、迷惑で、気が散る音です。

ピッチとは、聞こえる音の高低の度合いです。

希薄化は、音波の中で、音波媒体の密度が通常よりも低い領域です。

共振周波数は、物体が乱された場合に自然に振動する周波数です。

音波媒体は音波が伝わる物質です。たとえば、空気は音の媒体です。

音色とも呼ばれる音質は、音楽の音の特徴です。音質は、異なる楽器によって生成される同じ周波数と強度の音を区別します。

超音波は、人間の可聴範囲を超える、つまり20,000ヘルツを超える周波数の音です。

波長は、波の任意の点と次の波の対応する点との間の距離です。

技術的には、音は弾性媒体（変形後に元の状態に戻る傾向がある材料）を通過する機械的外乱として定義されます。媒体は空気である必要はありません。金属、木、石、ガラス、水、および他の多くの物質は音を伝導しますが、それらの多くは空気よりも優れています。

非常に多くの音源があります。おなじみの種類には、人の声帯の振動、振動する弦（ピアノ、バイオリン）、振動する空気の柱（トランペット、フルート）、振動する固体（誰かがノックしたときのドア）などがあります。それらすべてをリストすることは不可能です。なぜなら、弾性媒体に妨害を与えるもの（たとえば、周囲の空気に爆竹が爆発するなど）は音源だからです。

音は、遠雷の低音から蚊の高音までのピッチとラウドネスの観点から説明できます。ただし、ピッチとラウドネスは主観的な性質です。それらは、聞き手の聴覚に部分的に依存します。客観的で測定可能な音の質には、ピッチとラウドネスに関連する周波数と強度が含まれます。これらの用語、および音の議論で使用される他の用語は、音波とその動作を調べることで最もよく理解できます。

さまざまな媒体での音速
中	フィート/秒単位の速度	メートル/秒単位の速度
摂氏59度（摂氏15度）の空気	1,116	340
アルミニウム	16,000	5,000
レンガ	11,980	3,650
華氏77度（摂氏25度）の蒸留水	4,908	1,496
ガラス	14,900	4,540
華氏77度（摂氏25度）の海水	5,023	1,531
鋼	17,100	5,200
ウッド（メープル）	13,480	4,110

内容

1. 音波
2. 音速
3. 音波の振る舞い
4. 音質
5. 歴史

空気は、すべての物質と同様に、分子で構成されています。空気の小さな領域でさえ、膨大な数の空気分子を含んでいます。分子は一定の動きをしており、ランダムに高速で移動します。それらは絶えず互いに衝突して跳ね返り、空気と接触している物体から衝突して跳ね返ります。

振動する物体は空気中に音波を発生させます。たとえば、太鼓の頭を木槌で叩くと、太鼓の頭が振動して音波を発生します。振動するドラムヘッドは、外側と内側に交互に移動し、隣の空気を押してから離れるため、音波を生成します。ドラムヘッドが外側に移動しているときにドラムヘッドに当たる空気分子は、ドラムヘッドからのプッシュを受けて、通常よりも多くのエネルギーと速度でドラムヘッドから跳ね返ります。これらの動きの速い分子は周囲の空気に移動します。したがって、しばらくの間、ドラムヘッドの隣の領域の空気分子の濃度は通常よりも高くなり、圧縮領域になります。動きの速い分子が周囲の空気中の空気分子を追い抜くと、それらは衝突して余分なエネルギーを伝えます。振動するドラムヘッドからのエネルギーがますます遠くにある分子のグループに伝達されると、圧縮領域は外側に移動します。

ドラムヘッドが内側に移動しているときにドラムヘッドに当たる空気分子は、通常のエネルギーと速度よりも少ない速度でドラムヘッドから跳ね返ります。したがって、しばらくの間、ドラムヘッドの隣の領域は通常よりも空気分子が少なく、希薄化の領域になります。これらの動きの遅い分子と衝突する分子も、通常よりも遅い速度で跳ね返り、希薄化の領域は外側に移動します。

音の波の性質は、圧縮と希薄化の交互のパルスがそのポイントを通過するときのあるポイントでの空気分子の濃度の変化を示すグラフが描かれるときに明らかになります。音叉によって生成されるような単一の純音のグラフ。曲線は濃度の変化を示しています。それは、濃度が正常で、圧縮パルスがちょうど到着しているときに、任意に開始します。横軸からの曲線上の各点の距離は、濃度が通常からどれだけ変化するかを示します。

各圧縮とそれに続く希薄化は1サイクルを構成します。 （サイクルは、曲線上の任意のポイントから次の対応するポイントまで測定することもできます。）音の周波数は、1秒あたりのサイクル数またはヘルツ（略してHz）で測定されます。振幅は、空気分子の濃度が通常から変化する最大量です。

音の波長は、外乱が1サイクル中に移動する距離です。これは、速度/周波数=波長の式によって音の速度と周波数に関連しています。これは、高周波の音は短波長で、低周波の音は長波長であることを意味します。人間の耳は、最低15Hzから最高20,000Hzの周波数の音を検出できます。室温の静止空気では、これらの周波数の音の波長はそれぞれ75フィート（23 m）と0.68インチ（1.7 cm）です。

強度とは、外乱によって伝達されるエネルギーの量を指します。振幅の2乗に比例します。強度は、ワット/平方センチメートルまたはデシベル（db）で測定されます。デシベルスケールは次のように定義されます。1平方センチメートルあたり10〜16ワットの強度は0dbに相当します。 （10進形式で記述されている場合、10-16は0.0000000000000001と表示されます。）1平方センチメートルあたりのワット数が10倍になるごとに、10デシベル増加します。したがって、1平方センチメートルあたり10〜15ワットの強度は、10 dbとして表すこともでき、1平方センチメートルあたり10〜4（または0.0001）ワットの強度は120dbとして表すこともできます。

音の強さは、音源からの距離が増すにつれて急速に低下します。すべての方向に均一にエネルギーを放射する小さな音源の場合、強度は音源からの距離の2乗に反比例して変化します。つまり、光源から2フィートの距離では、強度は1フィートの距離の場合の4分の1になります。3フィートでは、片足の9分の1などになります。

ピッチ

ピッチは周波数に依存します。一般的に、周波数の上昇はピッチの上昇の感覚を引き起こします。ただし、周波数が近い2つの音を区別する機能は、可聴周波数範囲の上部と下部で低下します。また、ほぼ同じ周波数の2つの音を区別する能力には人によってばらつきがあります。訓練を受けたミュージシャンの中には、1Hzまたは2Hz程度の周波数の違いを検出できる人もいます。

聴覚メカニズムが機能する方法のために、ピッチの知覚も強度の影響を受けます。したがって、440 Hz（ピアノの中央のCより上のAの周波数）で振動する音叉を耳に近づけると、フォークがよりゆっくりと振動しているかのように、わずかに低い音が聞こえます。

音源が比較的高速で動いているとき、静止しているリスナーは、音源が自分に向かって移動しているときはピッチが高く、音源が離れているときはピッチが低い音を聞きます。ドップラー効果として知られるこの現象は、音の波の性質によるものです。

ラウドネス

一般的に、強度の増加はラウドネスの増加の感覚を引き起こします。しかし、ラウドネスは強度に正比例して増加しません。50 dBの音は、40 dBの音の10倍の強さですが、音量は2倍にすぎません。ラウドネスは、強度が10dB増加するたびに2倍になります。

人間の耳は他の周波数よりもいくつかの周波数に敏感であるため、ラウドネスも周波数の影響を受けます。聴覚のしきい値（ほとんどの人に聴覚を生み出す最低の音の強さ）は、2,000〜5,000Hzの周波数範囲で約0dBです。この範囲の上下の周波数では、音を聞くにはより強い強度が必要です。したがって、たとえば、100Hzの音は30dBではほとんど聞こえません。10,000 Hzの音は、20dBではほとんど聞こえません。120〜140 dBでは、ほとんどの人が身体的な不快感または実際の痛みを経験します。このレベルの強度は、痛みのしきい値と呼ばれます。

音速は、それが通過する媒体の弾性と密度に依存します。一般に、音は気体よりも液体の方が速く、液体よりも固体の方が速く伝わります。弾力性が大きく、密度が低いほど、音は媒体内をより速く伝わります。数学的関係は速度=（弾性/密度）です。

音速に対する弾性と密度の影響は、空気、水素、鉄の音速を比較することで確認できます。空気と水素の弾性特性はほぼ同じですが、水素の密度は空気の密度よりも低くなっています。したがって、音は空気中よりも水素中の方が速く（約4倍速く）伝わります。空気の密度は鉄の密度よりはるかに小さいですが、鉄の弾性は空気の弾性よりもはるかに大きいです。したがって、音は空気中よりも鉄の方が速く（約14倍速く）伝わります。

The speed of sound in a material, particularly in a gas or liquid, varies with temperature because a change in temperature affects the material's density. In air, for example, the speed of sound increases with an increase in temperature. At 32 °F. (0 °C.), the speed of sound in air is 1,087 feet per second (331 m/s); at 68 °F. (20 °C.), it is 1,127 feet per second (343 m/s).

The terms subsonic and supersonic refer to the speed of an object, such as an airplane, in relation to the speed of sound in the surrounding air. A subsonic speed is below the speed of sound; a supersonic speed, above the speed of sound. An object traveling at supersonic speed produces shock waves rather than ordinary sound waves. A shock wave is a compression wave that, when produced in air, can usually be heard as a sonic boom.

The speeds of supersonic objects are often expressed in terms of Mach number—the ratio of the object's speed to the speed of sound in the surrounding air. Thus an object traveling at Mach 1 is traveling at the speed of sound; at Mach 2 it is traveling at twice the speed of sound.

Like light waves and other waves, sound waves are reflected, refracted, and diffracted, and exhibit interference.

Reflection

Sound is constantly being reflected off many different surfaces. Most of the time the reflected sound is not noticed, because two identical sounds that reach the human ear less than 1/15 of a second apart cannot be distinguished as separate sounds. When the reflected sound is heard separately, it is called an echo.

音は、表面に当たるのと同じ角度で表面から反射されます。この事実は、曲面鏡を使用して光を集束させるのと同じ方法で、曲面反射面によって音を集束させることを可能にします。また、いわゆるささやきの回廊の効果も説明します。この部屋では、ある場所でささやいた言葉が、部屋の他の場所では聞こえないものの、かなり離れた別の場所ではっきりと聞こえます。 （米国議会議事堂の彫像ホールがその一例です。）反射は、メガホンの音の焦点を合わせたり、カップ状の手で電話をかけたりするときにも使用されます。

音の反射は、コンサートホールや講堂で深刻な問題を引き起こす可能性があります。設計が不十分なホールでは、話者の最初の単語が数秒間反響する（繰り返しエコーする）ため、聞き手は文のすべての単語が同時にエコーするのを聞くことができます。音楽も同様に歪む可能性があります。このような問題は通常、反射面をドレープや吸音タイルなどの吸音材で覆うことで修正できます。衣類も音を吸収します。このため、人でいっぱいのホールよりも空のホールの方が残響が大きくなります。これらの吸音材はすべて多孔質です。空気で満たされた小さな空間に入る音波は、エネルギーが消費されるまでその中で跳ね返ります。それらは事実上、閉じ込められています。

音の反射は、一部の動物、特にコウモリやハクジラがエコーロケーションに使用します。つまり、視覚ではなく聴覚を通じて物体を特定し、場合によっては識別します。コウモリとハクジラは、人間の聴覚の上限をはるかに超えた周波数のバースト音を発します。クジラの場合は20万Hzにもなります。波長の短い音は、非常に小さな物体からでも反射されます。コウモリは、真っ暗闇の中で蚊さえも間違いなく見つけて捕まえることができます。ソナーは、エコーロケーションの人工的な形式です。

屈折

波がある材料から別の材料に斜めに通過すると、通常は速度が変化し、波面が曲がります。音の屈折は、二酸化炭素で満たされたレンズ型の風船を使用して音波に焦点を合わせると、物理学の実験室で実証できます。

回折

音波が障害物の周りまたは障害物の開口部を通過するとき、障害物のエッジまたは開口部は二次音源として機能し、元の音源と同じ周波数および波長（ただし強度は低い）の波を送信します。二次音源からの音波の広がりは回折と呼ばれます。この現象により、音波は一般的に直線的に伝わっていますが、角を曲がったところで音が聞こえます。

干渉

波が相互作用するときはいつでも、干渉が発生します。音波の場合、この現象は、ある時点に到達した2つの波の圧縮と希薄化の観点から考えることでおそらく最もよく理解できます。波が同相であり、圧縮と希薄化が一致する場合、波は互いに補強し合います（建設的な干渉）。それらが位相がずれているため、一方の圧縮が他方の希薄化と一致する場合、それらは互いに弱くなるか、さらには打ち消し合う傾向があります（破壊的な干渉）。 2つの波の間の相互作用は、結果として生じる波を生成します。

講堂では、ステージからの音とホールの他の部分から反射された音との間の破壊的な干渉により、音量と音の明瞭さの両方が不十分なデッドスポットが作成される可能性があります。このような干渉は、反射面に吸音材を使用することで低減できます。一方、干渉は講堂の音響品質を向上させることができます。これは、聴衆が座っている領域で実際に音のレベルが上がるように反射面を配置することによって行われます。

周波数がほぼ等しいが完全に等しくない2つの波の間の干渉は、強度が交互に増加および減少するトーンを生成します。これは、2つの波が継続的に位相がずれたりずれたりするためです。聞こえる脈動はビートと呼ばれます。ピアノ調律師はこの効果を利用して、ビートが聞こえなくなるまで弦の音を標準の音叉の音に対して調整します。

単一の純粋な周波数の音は、音叉とオシレーターと呼ばれる電子機器によってのみ生成されます。ほとんどの音は、異なる周波数と振幅のトーンの混合物です。楽器が発する音には、周期的であるという共通の重要な特徴があります。つまり、振動は繰り返しパターンで発生します。トランペットの音のオシロスコープのトレースは、そのようなパターンを示しています。風船が破裂したり咳をしたりするような音楽以外のほとんどの音の場合、オシロスコープのトレースはギザギザの不規則なパターンを示し、周波数と振幅のごちゃ混ぜを示します。

トランペットのような空気の柱とピアノ線の両方に基本周波数があります。これは、動き始めたときに最も振動しやすい周波数です。振動する空気柱の場合、その周波数は主に柱の長さによって決まります。 （トランペットのバルブは、支柱の有効長を変更するために使用されます。）振動する弦の場合、基本周波数は弦の長さ、張力、および単位長さあたりの質量に依存します。

基本周波数に加えて、空気の弦または振動する柱は、基本周波数の整数倍の周波数の倍音も生成します。特定のソースからの楽音に独特の品質または音色を与えるのは、生成される倍音の数とそれらの相対的な強さです。さらに倍音を追加すると、トランペットの音のオシロスコープのトレースのパターンなど、複雑なパターンが生成されます。

振動する弦の基本周波数が弦の長さ、張力、および単位長さあたりの質量にどのように依存するかは、次の3つの法則によって記述されます。

1.振動する弦の基本周波数は、その長さに反比例します。

張力が同じままの場合、振動する弦の長さを半分に減らすと、周波数が2倍になり、ピッチが1オクターブ上がります。

2.振動する弦の基本周波数は、張力の平方根に正比例します。

振動する弦の張力を上げると、周波数が上がります。テンションを4倍にすると周波数が2倍になり、ピッチが1オクターブ上がります。

3.振動する弦の基本周波数は、単位長さあたりの質量の平方根に反比例します。

これは、同じ素材で同じ長さと張力の2つの弦の場合、太い弦ほど基本周波数が低くなることを意味します。一方の弦の単位長さあたりの質量がもう一方の弦の4倍である場合、太い弦の基本周波数は細い弦の半分であり、1オクターブ低い音を生成します。

音に関する最初の発見の1つは、紀元前6世紀にギリシャの数学者で哲学者のピタゴラスによってなされました。彼は、振動する弦の長さとそれが生み出す音色との関係、つまり現在弦の第一法則として知られているものに注目しました。ピタゴラスはまた、音の感覚が振動によって引き起こされることを理解しているかもしれません。彼の時代から間もなく、この感覚は空中を伝わり鼓膜に当たる振動に依存することが認識されました。

1640年頃、フランスの数学者マランメルセンヌは、空気中の音速を測定するための最初の実験を行いました。メルセンヌはまた、弦の第2法則と第3法則を発見したことでも知られています。1660年、英国の科学者ロバートボイルは、空気が送り出された瓶の中の鐘の鳴り声が聞こえないことを示すことにより、音の伝達には媒体が必要であることを示しました。

ドイツの物理学者であるエルンストクラドニは、1700年代後半から1800年代初頭にかけて音を発生させる振動を詳細に分析しました。1801年、フランスの数学者フーリエは、振動する弦とそのすべての倍音によって生成されるような複雑な波が、一連の単純な周期波で構成されていることを発見しました。

一般的に波に関する多くの研究は19世紀に行われました。イギリスの物理学者であるトーマス・ヤングは、特に回折と干渉について研究しました。オーストリアのクリスチャン・ヨハン・ドップラーは、波の発生源が観測者に対して移動しているときの波の実際の周波数と知覚される周波数の間の数学的関係を定式化しました。

音響学の理解への重要な貢献は、1890年代後半にハーバード大学の物理学者であるウォレスクレメントサビーネによってなされました。サビーネは、ハーバード大学フォッグ美術館のメイン講堂の音響を改善するように依頼されました。彼は最初に残響時間を測定しました—それは彼が講堂で5秒半であることがわかりました。最初に近くの劇場のシートクッションを試し、その後、他の吸音材や他の方法を試し、サビーネは建築音響の基礎を築きました。彼は、科学的に定式化された音響を備えた最初の建物であるボストンシンフォニーホール（1900年オープン）を設計しました。

20世紀の後半、現代世界、特に都市部での騒音レベルの上昇は、人間に対する騒音の生理学的および心理的影響を大部分扱った、まったく新しい一連の調査を促しました。