音波はどのように機能するのでしょうか?

私たちは、音に囲まれて生活しています。音は時速 700 マイル以上のスピードで絶えず私たちにぶつかり、時には痛みを与え、時には癒してくれます。音には、考えを伝えたり、懐かしい思い出を呼び起こしたり、喧嘩を始めたり、観客を楽しませたり、私たちを怖がらせたり、恋に落ちさせたりする力があります。さまざまな感情を引き起こし、身体的な損傷を引き起こすことさえあります。これは SF の世界の話のようですが、私たちが話していることは非常に現実的で、すでに私たちの日常生活の一部になっています。音波です。では、音波とは何で、どのように機能するのでしょうか。

オーディオ業界に携わっていない人は、音の仕組みについてあまり考えないかもしれません。確かに、ほとんどの人は音が自分にどのような感情を与えるかは気にしますが、音が実際に自分にどのような影響を与えるかについてはそれほど関心がありません。しかし、音の仕組みを理解することには、多くの実用的な応用があり、この魅力的なテーマを探求するのに物理学者やエンジニアである必要はありません。ここでは、音の科学の入門書を紹介します。

波には何があるか

エネルギーが水や空気などの物質を通過すると、波が発生します。波には縦波と横波の 2 種類があります。NASA が指摘しているように、横波は、おそらくほとんどの人が波をイメージしたときに思い浮かべるものです。トレーニングに使うバトルロープの上下の波紋のようなものです。縦波は圧縮波とも呼ばれ、音波はこれです。縦波には垂直方向の動きはなく、むしろ波は乱れと同じ方向に移動します。

音波の仕組み

音波は、物体が振動したときに放出されるエネルギーの一種です。音波は発生源から空気または他の媒体を通って伝わり、鼓膜に接触すると、脳が圧力波を言葉、音楽、または理解できる信号に変換します。これらのパルスは、環境内の物体の位置を特定するのに役立ちます。

音波は、生理学的なだけでなく、より物理的な方法でも体験できます。音波がマイクに到達すると、それがプラグアンドプレイの USB ライブストリーム マイクであろうと、スタジオ品質のボーカル用マイクであろうと、電子インパルスに変換され、スピーカーを振動させることで音に戻ります。自宅で聴いてもコンサートで聴いても、胸に響く重低音を感じることができます。オペラ歌手はそれを使ってガラスを砕くことができます。砂などの媒体を通過して音波が伝わる様子を目にすることさえ可能です。これは、一種の音の足跡を残します。

その形は山と谷がうねり、正弦波 (正弦曲線ともいう) の特徴です。波の進行速度が速いと、山と谷は互いに接近します。遅く進むと、山と谷は広がります。海の波に似ていると考えるのは、悪くない例えです。この動きのおかげで、音波はさまざまなことを実行できます。

重要なのは頻度だ

音波の速度について話すとき、これらの縦波がピークから谷へ、そして再びピークに移動する速度について言及しています。上昇…そして下降…そして上昇…そして下降。専門用語は周波数ですが、多くの人はこれをピッチとして知っています。音の周波数はヘルツ (Hz) で測定します。これは 1 秒あたりのサイクル数を表し、周波数が速いほどピッチの高い音になります。たとえば、ピアノの中央の C のすぐ上の A 音は 440 Hz で測定されます。つまり、1 秒あたり 440 サイクルで上下に移動します。中央の C 自体は 261.63 Hz で、より低いピッチであり、より遅い周波数で振動します。

周波数を理解することは、さまざまな点で役立ちます。弦の周波数を分析することで、楽器を正確にチューニングできます。レコーディング エンジニアは、周波数範囲の理解を活用して、ミックスしている音楽のサウンドを形作るのに役立つイコライゼーション設定を調整します。自動車デザイナーは、エンジンを静かにするために周波数とそれをブロックできる素材に取り組んでいます。また、アクティブ ノイズ キャンセリングは、人工知能とアルゴリズムを使用して外部周波数を測定し、逆波を生成して環境のゴロゴロ音やハム音をキャンセルし、最高級の ANC ヘッドフォンやイヤフォンで装着者を周囲のノイズから遮断できるようにします。人間の聴覚の平均周波数範囲は 20 ～ 20,000 Hz です。

名前には何があるのでしょうか?

ヘルツという単位は、電磁波の存在を証明したドイツの物理学者ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツにちなんで名付けられました。

興奮する

振幅は音の大きさまたは強さに相当します。海の例えを使うと（まあ、うまくいきますから）、振幅は波の高さを表します。

振幅はデシベル (dB) で測定します。dB スケールは対数です。つまり、測定単位間の比率は固定されています。これはどういう意味でしょうか。ギター アンプに、1 から 5 までの等間隔のステップがあるダイヤルがあるとします。ノブが対数スケールに従っている場合、ダイヤルをマーカーからマーカーへと回しても音量は均等に増加しません。たとえば比率が 4 の場合、ダイヤルを最初のマーカーから 2 番目のマーカーに回すと、音が 4 dB 増加します。しかし、2 番目から 3 番目のマーカーに行くと、音が 16 dB 増加します。ダイヤルをもう一度回すと、アンプの音量が 64 dB 大きくなります。さらにもう一度回すと、256 dB という猛烈な音が鳴り響きます。これは、鼓膜が破れるほどの音量です。しかし、何とかまだ立っていれば、ノブをもう一度回して、音量を脳を震わせる 1,024 デシベルまで上げることができます。これは、あなたがこれまでに経験したどのロックコンサートよりも 10 倍近くも大きな音で、リハーサル スペースから追​​い出されることは間違いないでしょう。実際のアンプがそのように設計されていないのは、そのためです。

2倍素敵

振幅が 10 dB 増加すると、音量が 2 倍になったと解釈します。

音波の構成要素

音色とエンベロープは音波の 2 つの特性であり、たとえば 2 つの楽器が同じコードを演奏してもまったく同じように聞こえない理由を判断するのに役立ちます。

音色は、コード内の音の組み合わせによって形成される独自の倍音によって決まります。A コードの A は基音のみで、倍音と低音もあります。これらの音の組み合わせによって、ピアノがギターのように聞こえたり、怒ったハイイログマがゴロゴロと鳴るトラクターのエンジンのように聞こえたりすることがなくなります。

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しかし、私たちはエンベロープにも頼っています。エンベロープは、音の振幅が時間とともにどのように変化するかを決定します。チェロの音はゆっくりと最大音量まで大きくなり、しばらく持続してから再び徐々に小さくなっていきます。一方、ドアをバタンと閉めると、素早く鋭く大きな音が鳴り、ほぼ瞬時に止まります。エンベロープは、アタック、ディケイ、サスティン、リリースの 4 つの部分で構成されています。実際、これらは正式には ADSR エンベロープと呼ばれています。

• アタック:音が最大音量に達するまでの時間です。吠える犬のアタックは非常に短く、盛り上がるオーケストラのアタックはより遅くなります。
• 減衰:これは、音が持続音量に落ち着くまでの速さを表します。ギター奏者が弦を弾くと、音は最初は大きく鳴りますが、すぐに静かになり、その後完全にフェードアウトします。持続音量に達するまでの時間が減衰です。
• サスティン:サスティンは時間の尺度ではなく、振幅、つまり音量の尺度です。サスティンとは、ギターの弦を弾いたときに、最初のアタック音からフェードアウトするまでの音の大きさのことです。
• リリース:音が消えて無音になるまでにかかる時間です。

音速

SF 映画では、宇宙船が爆発するシーンで、巨大な轟音が鳴り響くサラウンド サウンドがよく使われます。しかし、音は媒体を介して伝わる必要があるため、ハリウッドがそうではないと主張しているにもかかわらず、真空の宇宙空間で爆発音を聞くことは決してありません。

音速、つまり音の移動速度は、音を伝える媒体の密度（さらには温度）によって異なります。たとえば、空気中の音速は水よりも速くなります。一般的に、音速は秒速 1,127 フィート、つまり時速 767.54 マイルで移動します。ジェット機が音速の壁を破るときは、それよりも速く移動しています。これらの数値を知っておくと、閃光から雷鳴までの時間を数えることで落雷の距離を推定できます。10 まで数えると、約 11,270 フィート、つまり約 4 分の 1 マイル離れています。（もちろん、非常に大まかですが。）

刺激的な体験

音の基礎と音波が何であるかを理解することは、誰にとっても有益です。自宅録音のセットアップとスタジオ モニターを持つミュージシャンやコンテンツ クリエイターは、当然のことながら、周波数と振幅に関する実用的な知識が必要です。ポッドキャストをホストする場合は、自分の声が明瞭で豊かに聞こえるように、できるだけ多くのツールが必要になります。これには、自分の声の周波数、その周波数に最適なマイク、必要な音や不要な音を反射または減衰させる部屋の設定方法などが含まれます。基礎的な情報を知っておくと、家の改修プロジェクトを行うときにも役立ちます。たとえば、録音ワークステーションを修理するときや、新しい密閉型デッキを防音するときなどです。そして、いつかガラスを割ってみたくなる日が来るかもしれません。音の物理学をより深く理解することで、私たちの周りの世界を探索して体験する素晴らしい新しい方法が開かれます。さあ、外に出て音を立てましょう。

この投稿は更新されました。元々は 2021 年 7 月 27 日に公開されました。