サウンド：定義、タイプ、特性、周波数

音は私たちの周りにあります。 私たちは音の感覚を使って、環境をナビゲートし、コミュニケーションを取り、音楽を楽しみます。 しかし、音とは何ですか？ それはどのように作られ、ある場所から別の場所にどのように送信されますか？

音は一種の力学的波または物質の振動です。 波は、媒体内のある場所から別の場所に移動する外乱です。 ここで重要なのは、外乱自体が移動する間、媒体内のポイントが所定の位置で振動することです。

たとえば、球技で群衆によって行われた波を考えてみましょう。 座席のファンは波の媒体として機能します。 個々に、彼らは立ち上がって腕を上げ、そして腰を下ろします–彼らはその場で振動します。 しかし、騒動はスタジアムのあちこちに伝わっています。

媒体の振動は、次の2つの種類のいずれかで発生する傾向があります。横波は、次の方向に対して直角に振動します。 移動し（スタジアムの観客、または弦の波のように）、縦波は次の方向に平行に振動します。 トラベル。

音波は縦波です。 音波が空気などの媒体を伝播するとき、それは空気分子を振動させることによって伝播し、それが変化を引き起こします。 空気圧、波としての空気の圧縮（高圧の領域）と希薄化（低圧の領域）をもたらします 旅行します。

片方の人が両端を持ってテーブルを横切って伸びるスリンキーのようなおもちゃのバネを考えてみてください。 一人がスリンキーを自分の方に引っ張ると、縦波がスリンキーに伝わります。 より狭い間隔（圧縮）とより緩い間隔（希薄化）のSlinkyコイルの領域が表示されます。 スリンキーの任意のポイントは、外乱が一方の端からもう一方の端に移動するときに、所定の位置で前後に振動します。

繰り返しになりますが、これはまさに空気中の音波やその他の媒体で起こることです。

他の波と同じように、音波は最初の外乱または振動によって生成されます。 たとえば、打たれた音叉は特定の周波数で振動します。 それが動くと、それは周囲の空気分子にぶつかり、定期的にそれらを圧縮します。

圧縮された領域は、このエネルギーを隣接する空気分子にも伝達し、外乱は空気中を移動して到達します。 あなたの耳、その時点でそれはあなたの鼓膜にエネルギーを伝達し、それは同じ周波数で振動します–そしてあなたの脳によって次のように解釈されます 音。

あなたが話すとき、あなたは喉頭（気管の上部にある小さな中空の管）を振動させ、それが次にその周りの空気を振動させ、それが音響エネルギーを聴取者に伝播します。 喉頭の組織を収縮および拡張し、口の調音器（唇、舌、その他の口の構造）を操作することで、さまざまな音を作り出すことができます。

すべてのオブジェクトは、同じ方法で音を生成する音源にすることができます。つまり、振動させて、それらの振動を空気などの隣接する媒体に伝達します。

乾燥した空気では、音は次の速度で伝わります。

どこT_cは摂氏での温度です。 標準的な摂氏20度（華氏68度）の日には、音は約343.4 m / sで伝わります。 それは時速約768マイルです！

音速はメディアによって異なります。 たとえば、音波が水中を伝わる速度は1,437 m / sを超える可能性があります。 木材では3,850m / sです。 アルミニウムでは、6,320 m / sを超えています！

原則として、分子が互いに接近している材料では、音はより速く伝わります。 固体で最も速く、液体で2番目に速く、気体で最も遅く移動します。

簡単な実験を行って音速を測定することができます。 これを行うには、音源（音叉、手拍子、または自分の声など）と反射音が必要になります。 ソースから既知の距離を表面化します（数メートル前の固い崖の壁、または単純なものの閉じた端など） チューブ）。

音が発せられてから発せられるまでの時間経過を測定できる機器（および/または十分に速い反射神経）がある場合 反射面からのエコーを介してソースの場所に戻ります。これを決定するのに十分な情報があります。 速度。

音源から反射面までの距離を2倍にするだけです（音は ソースを表面に戻し、次に再び戻します）そしてそれを音の放出との間の時間で割ります エコー。

例として、深さ200 mの峡谷に向かって叫び、1.14秒でエコーを受信するとします。 音速は2×200 / 1.14 = 351 m / sになります。

特定の航空機が音の壁を破る現象に精通しているかもしれません。 これが意味するのは、航空機が音速よりも速く飛ぶということです。 この速度を超えると、ソニックブームが発生します。

で移動する航空機マッハ1音速で移動しています。 マッハ2は音速の2倍などです。 世界最速の航空機は、1967年10月3日にマッハ6.7の速度に達した北米のX-15でした。

陸上では、1997年10月15日、ネバダ州ブラックロック砂漠のスラストSSCジェットカーで時速763.035マイルを走行したアンディグリーンによって音速が破られました。

波の周波数は、1秒あたりの媒体の特定のポイントで発生する振動の数です。 1 Hz = 1 / sの場合、ヘルツ（Hz）の単位で測定されます。 音波の波長は、最大圧縮の2つの連続する領域間の距離です。 通常、メートル（m）の単位で測定されます。

音波の速度、v、周波数に直接関係していますf波長ラムダ経由v =λf​.

特定の媒体の音速は周波数や波長に依存しませんが、代わりにその特定の媒体の定数です。 音波の周波数は常に音源の周波数と一致するため、媒体や波の速度に依存しません。

したがって、2つの異なるメディアでは、周波数は同じになりますが、速度はメディアに固有であり、波長はそれに応じて変化します。 （高周波は短波長に対応し、その逆も同様です。）

人間の耳で通常検出できる周波数範囲は64Hz〜23 kHzですが、年齢を重ねるにつれて、より高い周波数を聞く能力が失われる傾向があります。 対照的に、犬は約45 kHzまでずっと聞くことができます（これが犬笛に反応する理由です） 人間には聞こえない）、猫は最大64 kHzまで聞こえ、ネズミイルカは最大150まで聞こえます kHz！

1979年の映画からこの引用に出くわしたことは間違いありませんエイリアン、そしてそれは真実です。音は真空中では伝わりません。 これは、媒体が必要なためです。 音が伝播するためには、音源とあなたの間に何らかの素材が必要です。

それで、あなたが大爆発の映画で見るそれらの宇宙戦闘シーンのすべて？ 完全に間違っています！ 通過する媒体がないため、音は出ません。

音の強さ、私、は単位面積あたりの音響パワーです。 音の強さのSI単位はワット/ mです² どこ私₀​ = 10^-12 W / m² 人間の聴覚のしきい値と見なされます。 口語的には、音の強さは私たちが音の「ラウドネス」と見なすものです。

知覚される音の大きさを表す一般的な方法は、デシベル（dB）スケールを使用することです。ここで、音の強さはデシベル単位です。

人間はラウドネスを直線的に知覚しないため、このスケールは便利です。 つまり、2倍の強さの音は、静かに始めたときは2倍以上、すでにやや大きな音で始まったときは2倍未満の大きさに見える可能性があります。 デシベルスケールは、私たちの認識とより一致する数値を提供します。

レストランでの会話が約60dBであるのに対し、軽い呼吸の音は約10dBです。 1,000フィートでのジェットフライオーバーは約100dBです。 境界線の痛みを伴う雷鳴は120dBで、耳の太鼓は150dBで破裂します。

音波のエネルギーは強度に直接関係しています。 強度の単位、W / m²、J /（sm²）または1平方メートルあたり1秒あたりのジュール単位のエネルギー。

音速は波の周波数ではなく、媒体にのみ依存することを思い出してください。 これは良いことです。そうしないと、コンサートを聴くのはひどい経験になり、さまざまな音符が順不同で届くからです。

音の異なる周波数は、異なるピッチまたは音符に対応します。 歌手が歌うとき、彼らは喉頭のサイズと形を変えることによって異なる周波数を生み出します。 楽器は、通常、チューブやパイプ内、または弦に沿って定在波を作成することにより、純音の音を作成するように設計されています。

ギターなどの弦楽器を考えてみましょう。 撥弦楽器が振動する頻度は、その質量密度（単位長さあたりの質量）、弦の張力（保持の程度）、およびその長さによって異なります。 ギターを見ると、弦ごとに太さが違うことがわかります。 ハンドルの端にあるチューニングノブを使用すると、弦の張力を調整でき、フレットを使用すると 演奏しながら弦の長さを変えるために指を置く場所、さまざまなものを作成できます ノート。

対照的に、木管楽器は中空のチューブで構成されており、（喉頭のように）空気の柱に定在波を発生させることができます。 このような楽器の異なる音孔を使用すると、形成できる定在波のタイプを変更して、再生できるノートを変更できます。

トロンボーンのような楽器の場合、スライドを前後に動かしてチューブの長さを調整することもできます。これにより、さまざまな周波数の定在波が可能になり、さまざまな音を演奏できます。

ドラムなどの打楽器は、メンブレン（ドラムヘッドなど）の振動に依存しています。 ギターの弦を弾くのと同じように、ドラムヘッドをさまざまな場所で叩くと、膜に定在波が形成され、音が発生します。 音の周波数と品質は、膜のサイズ、厚さ、張力によって異なります。