音響

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リンゼイの音響の輪
Lindsay's Wheel of Acousticsは、音響内のフィールドを示します

音響学は、振動超音波超低周波音などのトピックを含む、気体、液体、および固体の力学的波の研究を扱う物理学の一分野です。音響の分野で働く科学者は音響学者ですが、音響技術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音響の応用は現代社会のほぼすべての側面に存在し、最も明白なのはオーディオおよびノイズ制御産業です。

聴覚は動物界で生き残るための最も重要な手段の1つであり、会話は人間の発達と文化の最も特徴的な特徴の1つです。したがって、音響学は、音楽、医学、建築、工業生産、戦争など、人間社会のさまざまな側面に広がっています。同様に、鳴き鳥やカエルなどの動物種は、交配の儀式や領土のマーキングの重要な要素として音と聴覚を使用します。他の多くの知識分野と同様に、芸術、工芸、科学、技術は、全体を前進させるために互いに刺激し合っています。Robert BruceLindsayの「WheelofAcoustics」は、音響学のさまざまな分野の概要として広く受け入れられています。[1]

歴史

語源

「音響」という言葉はギリシャ語のἀκουστικός(akoustikos)に由来し、「聞くために、聞く準備ができている」[2]を意味し、ἀκουστός(akoustos)、「聞いた、聞こえる」[3]に由来します。動詞ἀκούω(akouo)、「聞こえます」に由来します。[4]

ラテン語の同義語は「ソニック」であり、その後、ソニックという用語は音響学[5]の同義語であり、後に音響学の分野でした。[5] 可聴範囲の上下の周波数は、それぞれ「超音波」および「超低周波音」と呼ばれます。

音響学の初期の研究

振動する弦基本的な倍音と最初の6つの倍音。この現象の研究の最も初期の記録は、紀元前6世紀の哲学者ピタゴラスに起因しています。

紀元前6世紀、古代ギリシャの哲学者ピタゴラスは、音楽の音のいくつかの組み合わせが他の組み合わせよりも美しく見える理由を知りたがり、倍音 列を表す数値比の観点から答えを見つけました。文字列に。彼は、振動する弦の長さが整数の比率(2から3、3から4など)で表現できる場合、生成される音は調和し、整数が小さいほど音が調和することを観察したと言われています。たとえば、特定の長さの弦は、2倍の長さの弦と特に調和しているように聞こえます(他の要素は同じです)。現代の用語では、弦を弾いたときに音符Cが鳴る場合、2倍の長さの弦はCを1オクターブ低く鳴らします。調律の1つのシステムでは、その間のトーンは、Dの場合は16:9、Eの場合は8:5、Fの場合は3:2、Gの場合は4:3、Aの場合は6:5、16:15の場合に与えられます。 B、昇順。[6]

アリストテレス(紀元前384〜322年)は、音が「隣の空気に当たって当たる」空気の圧縮と希薄化で構成されていることを理解していました[7] [8]の性質の非常に良い表現モーション。一般的にランプサコスのストラトに起因する「聞こえるものについて」では、ピッチは空気の振動の周波数と音速に関連していると述べています。[9]

紀元前20年頃、ローマの建築家兼エンジニアであるウィトルウィウスは、建築音響の始まりである干渉、エコー、残響の議論など、劇場の音響特性に関する論文を書きました[10]彼のDearchitectureのBookVThe Ten Books of Architecture)ウィトルウィウスは、音を3次元に拡張された水波に匹敵する波として説明しています。この波は、障害物によって遮られると、逆流して波に続いて崩壊します。彼は、古代の劇場の上昇席は、この音の劣化を防ぐように設計されていると説明し、適切なサイズの青銅製の船を劇場に配置して、4、5など、2オクターブまで共鳴させることを推奨しました。より望ましい、調和のとれたノート。[11] [12] [13]

イスラーム黄金時代AbūRayhānal-Bīrūnī(973-1048)は、音速が光速よりもはるかに遅いと仮定したと考えられています。[14] [15]

音響の原理は古くから適用されてきました:アンマン市のローマ劇場

科学革命中およびその後、音響プロセスの物理的理解は急速に進歩しました主にガリレオ・ガリレイ(1564–1642)だけでなく、マラン・メルセンヌ(1588–1648)も、独立して、弦を振動させる完全な法則を発見しました(2000年前にピタゴラスとピタゴラスが始めたものを完成させました)。ガリレオは、「波は、空気中に広がる音のする体の振動によって生成され、心が音として解釈する刺激をの鼓膜にもたらします」と書いています。これは、生理学的および心理的音響の始まりを示す注目すべき声明です。 。音速の実験的測定空気中は、1630年から1680年の間に、多くの研究者、特にメルセンヌによって首尾よく実行されました。一方、ニュートン(1642–1727)は、物理音響学の基礎である固体の波速度の関係を導き出しましたPrincipia、1687)。

啓蒙時代以降

18世紀には、オイラー(1707–1783)、ラグランジュ(1736–1813)、ダランベール(1717–1783)によって、より堅固な数学的および物理的概念に基づく音響の大幅な進歩が見られました。この時代に、連続体物理学、または場の理論は、明確な数学的構造を受け取り始めました。波動方程式は、空気中の音の伝播を含む多くの状況で現れました。[16]

19世紀の数学的音響学の主要人物は、生理学的音響学の分野を統合したドイツのヘルムホルツと、彼の記念碑的な作品であるTheory of Soundで、以前の知識と分野への彼自身の豊富な貢献を組み合わせたイギリスのレイリー卿でした。 (1877)。また、19世紀には、ホイートストン、オーム、ヘンリーが電気と音響のアナロジーを発展させました。

20世紀には、それまでに実施されていた大量の科学的知識の技術的応用が急増しました。最初のそのようなアプリケーションは、建築音響におけるSabineの画期的な作業であり、他の多くのアプリケーションがそれに続きました。水中音響は、第一次世界大戦で潜水艦を検出するために使用されました。 録音と電話は、社会のグローバルな変革において重要な役割を果たしました。音の測定と分析は、電子機器とコンピューティングを使用することで、新しいレベルの精度と洗練度に到達しました。超音波周波数範囲は、医学および産業におけるまったく新しい種類のアプリケーションを可能にしました。新しい種類のトランスデューサー(音響エネルギーのジェネレーターとレシーバー)が発明され、使用されました。

音響学の基本概念

ジェイプリツカーパビリオンではLARESシステムとゾーンサウンド強化システムを組み合わせて、両方ともオーバーヘッドスチールトレリスに吊り下げて、屋外の屋内音響環境を合成します。

定義

音響学は、ANSI / ASA S1.1-2013によって、「(a)の科学、その生成、伝達、および生物学的および心理的効果を含む効果を含む。(b)一緒になって、聴覚効果に関する性格。」

音響学の研究は、力学的波と振動の生成、伝播、および受信を中心に展開されます。

基本的な音響プロセス

上の図に示されているステップは、あらゆる音響イベントまたはプロセスで見られます。自然と自発の両方の多くの種類の原因があります。エネルギーを他の形から音波エネルギーに変換して音波を生成する変換プロセスには多くの種類があります。音波の伝播を説明する基本的な方程式が1つあります。それは音波の方程式ですが、そこから発生する現象はさまざまで、多くの場合複雑です。波は伝播する媒体全体にエネルギーを運びます。最終的に、このエネルギーは、再び自然に、および/または自発的に考案された方法で、再び他の形に変換されます。最終的な効果は、純粋に物理的なものである場合もあれば、生物学的または意志的な領域にまで及ぶ場合もあります。5つの基本的なステップは、私たちが話しているかどうかにかかわらず、同じようによくわかります。地震、敵を見つけるためにソナーを使用する潜水艦、またはロックコンサートで演奏するバンド。

音響プロセスの中心的な段階は波の伝播です。これは物理音響の領域に含まれます。流体では、音は主に圧力波として伝播します。固体では、力学的波は縦波横波表面波など多くの形をとることができます

音響学では、まず音波の圧力レベルと周波数、および音波が環境とどのように相互作用するかを調べます。この相互作用は、回折干渉反射、またはこれら3つの混合のいずれかとして説明できます。複数のメディアが存在する場合、屈折も発生する可能性があります。変換プロセスも音響にとって特に重要です。

波の伝播:圧力レベル

「ああ、いや」と言っている少女のスペクトログラム

空気や水などの流体では、音波は周囲圧力レベルの乱れとして伝播します。この障害は通常は小さいものですが、それでも人間の耳には目立ちます。聴力のしきい値として知られる、人が聞くことができる最小の音は、周囲の圧力よりも9桁小さくなります。これらの外乱ラウドネスは、デシベル単位の対数スケールで測定される 音圧レベル(SPL)に関連しています。

波の伝播:周波数

物理学者や音響エンジニアは、音圧レベルを周波数の観点から議論する傾向があります。これは、が音を解釈する方法であるためです。「高音」または「低音」の音として私たちが経験するのは、1秒あたりのサイクル数が多いまたは少ない圧力振動です。音響測定の一般的な手法では、音響信号は時間内にサンプリングされ、オクターブバンドや時間周波数プロットなどのより意味のある形式で表示されます。これらの一般的な方法は両方とも、音を分析し、音響現象をよりよく理解するために使用されます。

スペクトル全体は、オーディオ、超音波、超低周波音の3つのセクションに分けることができます。オーディオ範囲は20Hz〜20,000Hzです。この範囲は、その周波数が人間の耳で検出できるため重要です。この範囲には、音声通信や音楽など、さまざまな用途があります。超音波範囲とは、20,000Hz以上の非常に高い周波数を指します。この範囲は波長が短いため、イメージング技術の解像度が向上します。超音波検査やエラストグラフィなどの医療アプリケーションは、超音波周波数範囲に依存しています。スペクトルのもう一方の端では、最低周波数は超低周波音範囲として知られています。これらの周波数は、地震などの地質学的現象を研究するために使用できます。

スペクトラムアナライザなどの分析機器は、音響信号とその特性の視覚化と測定を容易にします。このような機器によって生成されるスペクトログラムは、特定の音響信号にその明確な特徴を与える、時間変化する圧力レベルと周波数プロファイルのグラフィック表示です。

音響学における変換

安価な低忠実度の3.5インチドライバー。通常、小型ラジオに見られます。

トランスデューサーは、ある形式のエネルギーを別の形式に変換するためのデバイスです。電気音響の文脈では、これは音響エネルギーを電気エネルギーに変換することを意味します(またはその逆)。電気音響変換器には、ラウドスピーカーマイク粒子速度センサー、ハイドロフォンソナープロジェクターが含まれます。これらのデバイスは、音波を電気信号に変換したり、電気信号から変換したりします。最も広く使用されている変換原理は、電磁気学静電気学圧電性です。

最も一般的なラウドスピーカー(ウーファーツイーターなど)のトランスデューサーは、電磁ボイスコイルによって駆動される吊り下げられたダイアフラムを使用して波を生成し、圧力波を送信する電磁装置です。エレクトレットマイクコンデンサーマイクは静電気を利用しています。音波がマイクのダイアフラムに当たると、音波が動き、電圧変化を引き起こします。医療用超音波検査で使用される超音波システムは、圧電トランスデューサーを採用しています。これらは、機械的振動と電界が材料自体の特性によって相互に関連している特殊なセラミックから作られています。

音響学者

音響学者は音の科学の専門家です。[17]

教育

音響学者には多くの種類がありますが、通常は学士号以上の資格を持っています。音響学の学位を持っている人もいれば、物理学工学などの分野の研究を通じて学問分野に入る人もいます音響学の多くの仕事は、数学科学の十分な基礎を必要とします。多くの音響科学者が研究開発に取り組んでいます。音声音楽騒音の知覚(聴覚音響心理学神経生理学など)に関する知識を深めるために基礎研究を行う人もいます。他の音響科学者は、水中音響、建築音響、構造音響などの環境を移動するときに音がどのように影響を受けるかについての理解を深めます。その他の作業分野は、以下のサブディシプリンの下にリストされています。音響科学者は、政府、大学、および民間の産業研究所で働いています。多くは音響工学で働き続けます。学部(学術スタッフ)などの一部の役職には、博士号が必要です

サブディシプリン

Archaeoacoustics

聖ミカエルの洞窟

音の考古学としても知られる考古学は、私たちの目以外の感覚で過去を体験する唯一の方法の1つです。[18]考古音響学は、洞窟を含む先史時代の遺跡の音響特性をテストすることによって研究されています。健全な考古学者であるIegorRezkinoffは、ハミングや口笛などの自然音を通して洞窟の音響特性を研究しています。[19]音響学の考古学的理論は、儀式的な目的と洞窟内のエコーロケーションの方法に焦点を当てています。考古学では、特定の音が儀式の参加者を精神的な目覚めに近づけることを意図していたため、音響音と儀式は直接相関しています。[18]洞窟の壁画と洞窟の音響特性の間に緯線を描くこともできます。どちらも動的です。[19]考古学はかなり新しい考古学の主題であるため、音響音は今日でもこれらの先史時代の遺跡でテストされています。

空力音響学

空力音響学は、たとえば乱流を介した空気の動き、および流体の空気を通る音の動きによって生成されるノイズの研究です。この知識は、航空機を静める方法を研究するために音響工学に適用されます。空力音響学は、管楽器がどのように機能するかを理解するために重要です[20]

音響信号処理

音響信号処理は、音響信号の電子操作です。アプリケーションは次のとおりです。アクティブノイズコントロール補聴器または人工内耳の設計; エコーキャンセレーション; 音楽情報検索、および知覚コーディング(MP3またはOpusなど)。[21]

建築音響

ボストンのシンフォニーホール、講堂の音響が始まった場所

建築音響(建物音響とも呼ばれます)には、建物内で優れた音を実現する方法を科学的に理解することが含まれます。[22]これには通常、構築環境における音声了解度、音声プライバシー、音楽品質、および振動低減の研究が含まれます。[23]一般的に研究されている環境は、病院、教室、住居、パフォーマンス会場、録音および放送スタジオです。焦点となる考慮事項には、室内音響、建物構造物の空中および衝撃伝達、空中および構造物媒介の騒音制御、建物システムおよび電気音響システムの騒音制御が含まれます[1]

生物音響学

生物音響学は、動物の鳴き声と鳴き声、および動物が生息地の音響と音によってどのように影響を受けるかについての科学的研究です。[24]

電気音響

このサブディシプリンは、電子機器を使用したオーディオの録音、操作、および再生に関係しています。[25]これには、携帯電話、大規模な拡声システム、研究所の バーチャルリアリティシステムなどの製品が含まれる場合があります。

環境騒音とサウンドスケープ

環境音響は、鉄道、 [26] 道路交通、航空機、産業機器、およびレクリエーション活動によって引き起こされる騒音と振動に関係しています。[27]これらの研究の主な目的は、環境騒音と振動のレベルを低減することです。現在の研究では、都市環境での音の積極的な使用、つまりサウンドスケープ静けさに焦点が当てられています。[28]

音楽音響

優れたピッチ分解能に関連する主要な領域の1つである次聴覚野

音楽音響は、音響機器の物理学の研究です。電子音楽で使用されるオーディオ信号処理。音楽と作曲のコンピュータ分析、および音楽の知覚と認知神経科学[29]

ノイズ

この音響サブディシプリンの目標は、不要な音の影響を減らすことです。騒音研究の範囲には、構造物、物体、および人への生成、伝播、および影響が含まれます。

  • 革新的なモデル開発
  • 測定技術
  • 緩和戦略
  • 基準や規制の確立に向けて

騒音研究では、人間と動物に対する騒音の影響を調査し、定義、除害、輸送騒音、聴覚保護、ジェットおよびロケット騒音、建物システムの騒音と振動、大気中の音の伝播、サウンドスケープ、および低周波音の作業を含めます。

音響心理学

音響と認知、またはより一般的には音響心理学として知られている、知覚と生物学的側面の組み合わせが聞こえる関係を特定するために、多くの研究が行われてきました。[30]音波が耳を通過することによって傍受された情報は、脳を通して理解および解釈され、心と音響の関係を強調します。心理的変化は、聴覚刺激の変化の結果として脳波が減速または加速することで見られ、それが次に、人の考え方、感じ方、さらには行動に影響を与える可能性があります。[31]この相関関係は、明るい曲やアップテンポの曲を聴くと足が軽くたたかれ始めたり、遅い曲を聴いたりすると落ち着いた落ち着いた気分になる通常の日常的な状況で見ることができます。音響心理学の現象をより深く生物学的に見ると、中枢神経系が音楽の基本的な音響特性によって活性化されることが発見されました。[32]脳と脊椎を含む中枢神経系が音響によってどのように影響を受けるかを観察することにより、音響が心、そして本質的に体に影響を与える経路が明らかになります。[32]

スピーチ

音響学者は、音声の生成、処理、および知覚を研究します。音声認識音声合成は、コンピューターを使用した音声処理の2つの重要な領域です。主題はまた、物理学、生理学心理学、および言語学の分野と重複しています。[33]

構造振動とダイナミクス

構造音響学は、機械システムとその環境との運動と相互作用、およびそれらの測定、分析、制御の方法の研究です[2]この体制にはいくつかのサブ分野があります。

アプリケーションには次のものが含まれます。鉄道からの地面の振動。手術室の振動を低減するための防振振動がどのように健康を損なう可能性があるかを研究する(白蝋病); 建物を地震から保護するための振動制御、または構造物から伝わる音が建物内をどのように移動するかを測定します。[34]

超音波

妊娠12週目に見た子宮内の胎児の超音波画像(二次元スキャン)

超音波は、人間が聞くには高すぎる周波数の音を扱います。専門分野には、医療用超音波(医療用超音波検査を含む)、音響化学超音波検査、材料特性評価、水中音響(ソナー)が含まれます。[35]

水中音響

水中音響は、水中の自然音と人工音の科学的研究です。アプリケーションには、潜水艦位置を特定するソナー、クジラによる水中通信、海水温音響的に測定することによる気候変動の監視、音響兵器[36]、海洋生物音響学などがあります。[37]

職能団体

学術雑誌

も参照してください

参考文献

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さらに読む

外部リンク