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ドラムは振動するを通じて音を出します。

音とは、圧力の乱れが伝送媒体を介して伝播する現象である。物理学の文脈では、圧力または関連量(例えば変位)の機械的な波として特徴付けられるが、生理心理学の文脈では、そのような波の受信とによる知覚を指す。[ 1 ]音に対する感受性は生物によって異なるが、人間の耳は20 Hzから20 kHzの周波数に敏感である。音の重要性と応用の例としては、音楽医療画像技術、口頭言語、科学の一部などがあげられる。

意味

米国音響用語規格 ANSI/ASA S1.1-2013 で制定された技術規格によれば、音は次のように定義されています。

「(a) 内部力(例えば、弾性力または粘性力)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)で述べた振動によって引き起こされる聴覚感覚」[ 2 ]

この 2 部構成の音の定義では、音は弾性媒体の波動として捉えられ、刺激ともなり、また聴覚機構の刺激として音の知覚をもたらし、感覚ともなる、とされています。

音響

音響学は、気体、液体、または固体媒体における機械波振動超音波、および超低周波音に関する学際的な科学的研究です。音響学の分野で研究する科学者は音響学者と呼ばれ、音響工学を専門とする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、および再生に携わっています。

音響学は現代社会の多くの分野に応用されています。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、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ります。[ 4 ]

物理

同じ周波数の2つの音叉が音響共鳴を起こしています。片方の音叉を叩くと、空気圧の振動が生じ、もう片方の音叉に振動が誘発されます。

音は、媒体(水、結晶、空気など)中を機械波として伝わります。音波は、スピーカーの振動などの音源によって発生します。音源が周囲の媒体を振動させると、機械的擾乱が音源から局所的な音速で伝播し、音波が発生します。音源から一定の距離では、媒体粒子の圧力速度、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するのではなく、擾乱とその機械的エネルギーが媒体中を伝播します。固体の場合、これは直感的に明らかですが、液体や気体にも当てはまります。伝播中に、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 ]

音の伝達を支える物質は、伝達媒体と呼ばれます。媒体は、固体、液体、気体、プラズマなど、あらゆる形態の物質です。しかし、真空中では、機械的擾乱を支える媒体が存在しないため、音は伝播しません。 [ 6 ] [ 7 ]

媒体内での音の伝播は主に以下の影響を受けます。

  • 媒体の密度と圧力の間には複雑な関係があります。この関係は温度の影響も受け、媒体内の音速を決定します。
  • 媒体自体の運動。媒体が運動している場合、その運動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。例えば、風の中を伝わる音は、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加します。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。媒体の粘性は音の減衰率を決定します。空気や水など多くの媒体では、粘性による減衰はごくわずかです。

音が物理的特性が均一でない媒体を通過するとき、屈折(分散または集束)することがあります。[ 5 ]

いくつかの理論的研究は、音波は極めて小さな有効質量を持ち、弱い重力場と関連している可能性があることを示唆している。[ 8 ]

音は流体(気体、プラズマ、液体など)中を縦波(圧縮波とも呼ばれる)として伝わります。しかし、固体中を伝わる音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変化する波であり、局所的な圧縮希薄化を引き起こします。一方、横波(固体中)は伝播方向に対して垂直なせん断応力が交互に変化する波です。縦波とは異なり、横波は偏光特性を持っています。[ 9 ]

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。[ 10 ]

周期的な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、媒体内の粒子の変位速度の運動エネルギーの間で交互に変化します。

音の伝達には多くの物理的プロセスが関与しますが、マイクや耳などの一点に受信される信号は、時間とともに変化する圧力として完全に記述できます。この圧力対時間波形は、その場所で検出されたあらゆる音または音声信号を完全に表現します。

音波は多くの場合、正弦平面波として簡略化され、次のような一般的な特性を備えています。

速度と方向は速度ベクトルとして結合される場合もあります。また、波数と方向は波数ベクトルとして結合される場合もあります。

音声を分析するには、右に示すような複雑な波形を、異なる周波数、振幅位相の正弦波成分の線形結合として表すことができます。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

スピード

音速に接近する米海軍F/A-18 。白いハローは、機体周囲の気圧低下によって生じたと考えられる凝縮水滴によって形成される(プラントル・グラウエルト特異点参照)。[ 14 ]

音速は音波が通過する媒質に依存し、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試みは、アイザック・ニュートンによって行われました。彼は、特定の物質における音速は、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。

cpρ{\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。 なので 、最終的な式は となり 、これはニュートン・ラプラスの式としても知られています。 この式で、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 平方根に比例します。γ{\displaystyle {\sqrt {\gamma }}}p/ρ{\displaystyle {\sqrt {p/\rho }}}cγp/ρ{\displaystyle c={\sqrt {\gamma \cdot p/\rho }}}Kγp{\displaystyle K=\gamma \cdot p}cK/ρ{\displaystyle c={\sqrt {K/\rho}}}ρ{\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。海面における 20 °C (68 °F) の空気中の音速は、式 v [ m/s] = 331 + 0.6 T [°C]を用いるとおよそ 343 m/s (1,230 km/h; 767 mph) となります。音速はまた、2 次非調和効果の影響を受けるため、音の振幅に対してわずかに敏感です。つまり、元の音には存在しない調和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。

淡水中の音速は約1,482 m/s(時速5,335 km、時速3,315マイル)です。鋼鉄中の音速は約5,960 m/s(時速21,460 km、時速13,330マイル)です。固体の原子状水素中における音速は最も速く、約36,000 m/s(時速129,600 km、時速80,530マイル)です。[ 15 ] [ 16 ]

音圧レベル

音響測定
特性
シンボル
 音圧 p、SPL、L PA
 粒子速度 v、SVL
 粒子変位 δ
 音の強さ 、義理の妹
 音響パワー P、SWL、L WA
 音エネルギー W
 音エネルギー密度 
 音への暴露 E、SEL
 音響インピーダンス Z
 オーディオ周波数 AF
 伝送損失 TL

音圧とは、ある媒体における平均局所圧力と音波内の圧力との差です。この差の二乗(すなわち、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、この平均値の平方根が二乗平均平方根(RMS)値となります。例えば、大気中の1PaRMS音圧(94dBSPL)は、音波内の実際の圧力が(1 atmPa)と(1 atmPa)の間、つまり101323.6 Paと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聞き取ることができるため、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 2{\displaystyle -{\sqrt {2}}}+2{\displaystyle +{\sqrt {2}}}

Lp10ログ10p2pref220ログ10ppref dB{\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二乗平均平方根音圧、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、空気中では20 μPa 、水中では1 μPaです。基準音圧が指定れていない場合、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。pref{\displaystyle p_{\mathrm {ref} }}

人間の耳はスペクトル応答が平坦ではないため、音圧は周波数重み付けされ、測定レベルが人間の知覚レベルに近づくように調整されることがよくあります。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、人間の耳の騒音に対する反応に一致させようとしており、A重み付け音圧レベルはdBAと表記されます。C重み付けは、ピークレベルの測定に使用されます。

感知

物理学における「音」という用語の用法とは異なる用法として、生理学と心理学があります。これらの分野では、この用語は脳による知覚の対象を指します。心理音響学は、このような研究に特化した分野です。ウェブスター辞典は、音を次のように定義しています。「1. 聴覚の感覚、聞こえるもの。具体的には、a.心理物理学。通常は物質媒体(一般的には空気)を伝わる振動によって、脳の聴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。音は進行性の縦振動擾乱(音波)によって伝播する。」[ 17 ]つまり、「森の中で木が倒れても、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答えは、それぞれ物理的な定義を用いるか、心理物理学的な定義を用いるかによって、「はい」と「いいえ」となります。

聴覚を持つ生物における音の物理的な受容は、ある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 )の周波数の音をピッチとして聞き取ります[ 18 ] : 382 。 上限は加齢とともに低下します。[ 18 ] : 249 20 Hz 未満では、音波は離散的などもった音 (離散パルスの場合) または速い「ワウワウワウ」という音 (正弦波などの連続音の場合) として聞こえます。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。

音は主要な感覚器官の一つとして、多くの種が危険の検知航行捕食、コミュニケーションに利用しています。地球の大気、そして火、雨、風、波、地震といったほぼすべての物理現象は、それぞれ固有の音を生み出し(そしてその音によって特徴づけられています)、カエル、鳥、海洋哺乳類、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、これらの器官は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)を発展させ、音を生成、録音、送信、放送できるようにしました。

ノイズとは、望ましくない音を指す用語としてよく用いられます。科学技術においては、ノイズは必要な信号を覆い隠す望ましくない要素を指します。しかし、音知覚においては、ノイズは音源を特定するために用いられることが多く、音色知覚の重要な要素でもあります(下記参照)。

サウンドスケープとは、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、特定の領域内におけるあらゆる音(人間が聞き取れるかどうかに関わらず)の組み合わせであり、環境によって変化し、周囲の環境との関連において人間が理解するものです。

歴史的に、音波を分析する方法は実験的に区別できる6つあります。それらは、 ピッチ持続時間音量音色音響テクスチャ空間位置です。[ 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(例えば、ANSI音響用語集ANSI/ASA S1.1-2013 )。より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

音程知覚。聴取プロセスにおいて、各音は繰り返しパターン(オレンジ色の矢印)について分析され、その結果は特定の高さ(オクターブ)と彩度(音名)を持つ単一の音程として聴覚皮質に送られます。

ピッチは、音の「低さ」または「高さ」として知覚され、音を構成する振動の周期的かつ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、ピッチの知覚は異なる場合があります。特定の音のパターンに関する個人的な経験に基づいて、同じ音に対して異なるピッチを識別する人もいます。特定のピッチの選択は、振動の周波数やそれらのバランスなど、振動を意識的に調べること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)には高周波コンテンツが多く含まれているため、 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) よりも高い音に聞こえます。

間隔

持続時間の知覚。新しい音が認識されると(緑の矢印)、音の開始メッセージが聴覚皮質に送られます。繰り返しパターンが認識されなかった場合、音の終了メッセージが送られます。

持続時間は、音の「長さ」または「短さ」として知覚され、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連しています。音の持続時間は通常、音が最初に認識された時点から、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。例えば、騒音環境では、同じ帯域幅のノイズによる妨害により、オフセットメッセージが聞き逃されるため、途切れた音(停止したり開始したりする音)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、干渉の影響を受ける無線信号などの歪んだメッセージを理解する上で非常に役立ちます。なぜなら、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からです。

ラウドネス

音量の知覚には、短い時間枠(約 200 ミリ秒)にわたる音エネルギーの統合が関与しており、その間に、基底膜の変位が大きく、神経発火率が高くなると、音量信号が強くなります。

音の大きさは、音の「大きさ」または「小ささ」として知覚され、音によって生じる聴神経活動の全体的なパターンを反映します。一般的に、音が大きいほど基底膜の変位が大きく、より多くの聴神経線維が刺激され、結果として音の大きさの神経的表象がより強くなります。[ 28 ]

知覚される音量は、音エネルギーが時間的にどのように分布しているかにも依存します。音が非常に短い場合、聴覚系はそのエネルギーを完全に統合できないため、同じ物理的強度で提示された長い音よりも小さく聞こえます。このプロセスは時間的加重と呼ばれ、約200ミリ秒のウィンドウ内で作用します。[ 29 ]この持続時間を超えると、音の長さを増やしても知覚される音量は増加しなくなります。

音のスペクトルの複雑さも、音量の知覚に影響を与える可能性があります。より広範囲の聴神経線維を活性化する複雑な音は、物理的な振幅が同じであっても、単純な音(正弦波など)よりも大きく感じられることがよくあります。[ 30 ]

音色

音色の知覚。音の経時変化を示します。波形は似ていても、経時的な変化は明らかです。

音色は、様々な音の質(例えば、落石の音、ドリルの回転音、楽器の音色、声質など)として知覚され、音に事前意識的に音響的アイデンティティを割り当てることを表します(例えば、「オーボエだ!」)。このアイデンティティは、周波数の遷移、ノイズ、不安定さ、知覚されるピッチ、そして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。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]音色の識別に必要な情報の大部分は、音の時間的変化から得られます。それぞれの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において明らかです。クラリネットの空気の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。

テクスチャ

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 ]この文脈における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を指すこともあります。

空間位置

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すものであり、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。

頻度

超音波

超音波に対応するおおよその周波数範囲と、いくつかの用途の大まかなガイド

超音波は20,000Hz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。超音波機器は20kHz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

超低周波音は、20Hz未満の周波数の音波です。このような低周波音は人間には音程として聞こえませんが、離散的なパルス(アイドリング中のバイクの「ポン」という音など)として聞こえます。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ています。火山噴火の検知にも利用され、一部の音楽にも用いられています。[ 35 ]

参照

参考文献

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