音 (音波 ) – 人間と動物の聴覚器官によって知覚される弾性波です。. 言い換えると、 音は、弾性媒体内の密度 (または圧力) 変動の伝播であり、媒体の粒子同士の相互作用から生じます。
大気（空気）は弾性媒体の一つです。 空気中の音の伝播は、理想気体中の音響波の伝播の一般法則に従い、空気の密度、圧力、温度、湿度の変動による特徴も持っています。 音速は媒体の特性によって決まり、弾性波の速度の式から計算されます。
人工物と天然物があります ソース 音。 人工エミッタには次のものがあります。
固体の振動 (楽器の弦とデッキ、拡声器のディフューザー、電話の膜、圧電板);
限られた音量での空気の振動（オルガンパイプ、ホイッスル）;
ビート（ピアノの鍵盤、ベル）;
電流（電気音響変換器）。
天然資源には以下が含まれます：
爆発、崩壊;
障害物周辺の空気の流れ（建物の角、海の波の頂上に吹く風）。
人工物と天然物もあります 受信機 音：
電気音響トランスデューサ (空気中のマイクロフォン、水中のハイドロフォン、地殻中のジオフォン) およびその他のデバイス。
人間と動物の聴覚装置。
音波の伝播中に、あらゆる性質の波に特徴的な現象が発生する可能性があります。
障害物からの反射
2 つの媒体の境界での屈折、
干渉（追加）、
回折（障害物回避）、
分散 (物質内の音速の音の周波数への依存性);
吸収 (音響エネルギーが熱に不可逆的に変換されるため、媒質内の音響エネルギーと強度が低下すること)。
客観的な音響特性
音の周波数
人に聞こえる音の周波数は、 16Hz 前 16～20kHz . 周波数を持つ弾性波 下 可聴範囲 と呼ばれる インフラサウンド （脳震盪を含む）、s より高い 周波数 – 超音波 、そして最高周波数の弾性波は 極超音速 .
音の全周波数範囲は、3 つの部分に分けることができます (表 1.)。
ノイズ 低周波音の領域に周波数（または波長）の連続スペクトルがあります（表1、2）。 連続スペクトルとは、周波数が特定の間隔の任意の値を持つことができることを意味します。
ミュージカル , また 調性 , 音 中周波数および部分的に高周波数の音の領域に線周波数スペクトルがあります。 残りの高周波音はホイッスルで占められています。 線スペクトルは、音楽の周波数が指定された間隔から厳密に定義された (離散的な) 値のみを持つことを意味します。
さらに、音楽の周波数の間隔はオクターブに分割されます。 オクターブ は、上限が下限の 2 倍である 2 つの境界値の間に囲まれた周波数間隔です。(表3)
音は媒体 (多くの場合空気) 中の弾性波であり、目には見えませんが、人間の耳には知覚できます (波は 鼓膜耳）。 音波は縦圧縮希薄波です。
真空を作ると、音を区別できるようになりますか? ロバート ボイルは 1660 年にガラスの器に時計を置きました。 彼が空気をポンプでくみ上げたとき、彼は音を聞きませんでした。 経験が証明している 音を伝えるには媒体が必要です.
音は、液体および固体媒体でも伝搬できます。 水の下では、石の衝撃がはっきりと聞こえます。 木の板の一方の端に時計を置きます。 耳を反対側に向けると、時計の時を刻む音がはっきりと聞こえます。
音波は木材を伝搬する
音源は必然的に振動体です。 たとえば、ギターの弦は通常の状態では鳴りませんが、振動させるとすぐに音波が発生します。
しかし、経験上、すべての振動体が音源であるとは限りません。 たとえば、糸にぶら下がっているおもりは音を立てません。 実際のところ、人間の耳はすべての波を知覚するわけではなく、16 Hz から 20,000 Hz の周波数で振動する物体を作り出す波のみを知覚します。 そのような波は呼ばれます 音. 周波数が 16 Hz 未満の振動は呼ばれます。 インフラサウンド. 20,000 Hzを超える周波数の振動は呼ばれます 超音波.
音速
音波は瞬時に伝播するのではなく、特定の有限の速度 (等速運動の速度に似ています) で伝播します。
そのため、雷雨の間、最初に稲妻、つまり光が見え（光の速度は音の速度よりもはるかに大きい）、次に音が聞こえます。
音速は媒体によって異なります。 固体および液体では、音速は空気中よりもはるかに大きくなります。 これらは表形式の測定定数です。 媒体の温度が上がると音速が上がり、下がると音速が下がります。
音が違う。 音を特徴付けるために、音の大きさ、ピッチ、音色などの特別な量が導入されます。
音の大きさは、振動の振幅に依存します。振動の振幅が大きいほど、音は大きくなります。 さらに、私たちの耳による音の大きさの知覚は、音波の振動周波数に依存します。 より高い周波数の波はより大きく知覚されます。
音波の周波数によってピッチが決まります。 音源の振動周波数が高いほど、それによって生成される音は高くなります。 人間の声は、ピッチによっていくつかの音域に分けられます。
からの音 さまざまなソースは調和振動の集合です 異なる周波数. 周期が最も大きい（周波数が最も低い）成分を基音と呼びます。 残りの音成分は倍音です。 これらのコンポーネントのセットは、サウンドの色付け、音色を作成します。 声の倍音の総量 さまざまな人々少なくとも少しは異なりますが、これは特定の声の音色を決定します。
エコー. エコーは、山、森、壁、大きな建物など、さまざまな障害物からの音の反射の結果として形成されます。 エコーは、元の発声音とは別に反射音が知覚された場合にのみ発生します。 多くの反射面があり、それらが人から異なる距離にある場合、反射された 音波異なる時間に到達します。 この場合、エコーは複数になります。 エコーを聞くには、障害物は人から 11m の距離にある必要があります。
音の反射。音は滑らかな表面で跳ね返ります。 したがって、ホーンを使用すると、音波はすべての方向に散乱するのではなく、狭いビームを形成するため、音響パワーが増加し、より遠くに広がります。
一部の動物 (コウモリ、イルカなど) は超音波振動を発し、障害物からの反射波を感知します。 そのため、周囲のオブジェクトの位置と距離を決定します。
エコーロケーション. これは、物体から反射された超音波信号によって物体の位置を特定する方法です。 ナビゲーションで広く使用されています。 船舶への搭載 ソナー- 水中物体を認識し、底の深さと地形を決定するための装置。 容器の底にはエミッターとサウンドレシーバーが配置されています。 エミッターは短い信号を出します。 戻ってきた信号の遅延時間と方向を分析することにより、コンピューターは音を反射した物体の位置とサイズを決定します。
超音波は、機械部品のさまざまな損傷 (ボイド、クラックなど) を検出して判断するために使用されます。 この目的で使用されるデバイスは、 超音波探傷器. 短い超音波信号の流れが調査中の部品に向けられ、その内部の不均一性から反射され、戻ってきて受信機に落ちます。 欠陥のない場所では、信号は大きな反射なしに部品を通過し、受信機によって記録されません。
超音波は、特定の疾患を診断および治療するために医療で広く使用されています。 X線とは異なり、その波は組織に有害な影響を与えません。 診断 超音波検査(超音波)なしで許可する 外科的介入認識 病理学的変化器官および組織。 特殊な装置から周波数 0.5 ～ 15 MHz の超音波を送信します。 特定の部分体、それらは調査中の臓器から反射され、コンピューターはその画像を画面に表示します。
低周波音は、さまざまな媒体での吸収が少ないという特徴があり、その結果、空気、水、および地殻内の低周波音の波が非常に長い距離にわたって伝播する可能性があります。 この現象は、 場所の決定強い爆発や発射武器の位置。 海中の長距離にわたる超低周波音の伝搬により、 予測 自然災害 - 津波。 クラゲや甲殻類などは超低周波音を感知することができ、嵐が始まるずっと前にその接近を感じます。
音源。 音の振動
人間は音の世界に住んでいます。 人にとって音は情報源です。 彼は人々に危険を警告します。 鳥のさえずりが音楽という形で響き、私たちに喜びを与えてくれます。 心地よい声の人がいて嬉しいです。 音は人間だけでなく動物にとっても重要です。
音気体、液体、固体中を伝搬する機械的弾性波、目に見えませんが、人間の耳によって認識されます（波は鼓膜に影響を与えます）。 音波は縦圧縮希薄波です。
音の原因- 体の振動 (振動)。ただし、これらの振動は目に見えないことがよくあります。
フォーク- これは U字型の金属板、その端は打った後に振動する可能性があります。 公開済み 音叉音は非常に小さく、近距離でしか聞こえません。 レゾネーター-音叉を固定できる木製の箱は、音を増幅するのに役立ちます。 この場合、音の放射は音叉だけでなく、共鳴器の表面からも発生します。 ただし、レゾネーターの音叉の音の持続時間は、それがない場合よりも短くなります。
真空を作ると、音を区別できるようになりますか? ロバート ボイルは 1660 年にガラスの器に時計を置きました。 彼が空気をポンプでくみ上げたとき、彼は音を聞きませんでした。 経験が証明している 音を伝えるには媒体が必要です.
音は、液体および固体媒体でも伝搬できます。 水の下では、石の衝撃がはっきりと聞こえます。 木の板の一方の端に時計を置きます。 耳を反対側に向けると、時計の時を刻む音がはっきりと聞こえます。
音源は必然的に振動体です。 たとえば、ギターの弦は通常の状態では鳴りませんが、振動させるとすぐに音波が発生します。
しかし、経験上、すべての振動体が音源であるとは限りません。 たとえば、糸にぶら下がっているおもりは音を立てません。 音源- 振動する身体、すなわち 1 秒間に 16 ～ 20,000 回の頻度で震えまたは振動します。そのような波は呼ばれます 音。振動体は、弦や地殻などの固体、管楽器の空気の噴流などの気体、または水面の波などの液体です。
周波数が 16 Hz 未満の振動は呼ばれます。 インフラサウンド. 20,000 Hzを超える周波数の振動は呼ばれます 超音波.
音波（音の振動）は、空間を伝わる物質（空気など）の分子の機械的振動です。 音波が空間を伝播する様子を想像してみましょう。 空間の特定の点で空気の動きと振動を引き起こすいくつかの摂動 (たとえば、ラウドスピーカーのコーンやギターの弦の振動の結果として) の結果として、この場所で圧力降下が発生します。移動中に圧縮され、過剰な圧力が周囲の空気層を押し出します。 これらの層が圧縮されると、再び過剰な圧力が発生し、隣接する空気層に影響を与えます。 そのため、鎖に沿っているかのように、空間の最初の摂動はある点から別の点に伝達されます。 このプロセスは、空間における音波の伝播のメカニズムを表しています。 空気の乱れ（振動）を生み出す物体を 音源。
誰もが知っているコンセプト 音"人間の補聴器によって知覚される一連の音の振動のみを意味します。 人が知覚する振動とそうでない振動については、後で説明します。
サウンド特性。
音の振動は、物理学で知られている一般的なすべての振動と同様に、振幅 (強度)、周波数、および位相によって特徴付けられます。
音波はさまざまな距離を移動できます。 大砲の火は 10 ～ 15 km の距離で聞こえ、馬の鳴き声と犬の鳴き声は 2 ～ 3 km の距離で聞こえ、ささやき声はわずか数メートル先です。 これらの音は空気を介して伝達されます。 しかし、空気だけが音の伝導体になるわけではありません。
レールに耳を近づけると、近づいてくる電車の音がずっと早く、遠くから聞こえます。 これは、金属が空気よりも速く、よりよく音を伝えることを意味します。 水も音をよく伝えます。 水に飛び込むと、石が互いにぶつかり合う様子、波の間に小石がざわめく様子がはっきりと聞こえます。
音をよく伝えるという水の特性は、戦争中の海での偵察や海の深さの測定に広く使用されていました。
音波の伝播に必要な条件は、物質環境の存在です。 真空では、振動源から相互作用を伝達する粒子がないため、音波は伝播しません。
したがって、月には大気がないため、完全な沈黙が支配します。 隕石が表面に落ちる音でさえ、観測者には聞こえません。
音波に関しては、伝播速度などの特性に言及することが非常に重要です。
音は媒体ごとに異なる速度で伝わります。
空気中の音速は約 340 m/s です。
水中の音速は1500m/sです。
金属、鋼の音速は 5000 m/s です。
暖かい空気では、冷たい空気よりも音速が大きくなり、音の伝播方向が変化します。
ピッチ、トーン、ボリューム
音が違う。 音を特徴付けるために、音の大きさ、ピッチ、音色などの特別な量が導入されます。
音の大きさは、振動の振幅に依存します。振動の振幅が大きいほど、音は大きくなります。 さらに、私たちの耳による音の大きさの知覚は、音波の振動周波数に依存します。 より高い周波数の波はより大きく知覚されます。
音量の単位は 1 ベルです (電話の発明者であるアレクサンダー グラハム ベルに敬意を表して)。 音の強さが可聴閾値の 10 倍の場合、音の大きさは 1 B です。
実際には、ラウドネスはデシベル (dB) で測定されます。
1dB = 0.1B。 10 dB - ささやき声; 20–30 dB - 住宅施設の騒音基準。
50 dB - 中音量の会話。
70 dB - タイプライターの騒音;
80 dB - 走行中のトラック エンジンの騒音。
120 dB - 1 m の距離で作業中のトラクターの騒音
130 dB - 痛みの閾値。
180 dB を超える音は、鼓膜の破裂を引き起こすことさえあります。
音の周波数 角波はピッチを決定します。 音源の振動周波数が高いほど、それによって生成される音は高くなります。 人間の声は、ピッチによっていくつかの音域に分けられます。
違うところから聞こえる x ソースは、異なる周波数の一連の高調波振動です。 ほとんどのコンポーネント最後の周期（最低周波数）は基音と呼ばれます。 残りの音成分は倍音です。 これらのコンポーネントのセットが色を作成しますく、音色。 さまざまな人々の声の倍音の全体性は、少なくとも少しは異なりますが、これはトーンを定義します番目の声。
伝説によると、ピタゴすべての 楽音を一列に並べて壊すこのシリーズを部分 - オクターブ - そして
オクターブ - 12 パートに (7 メイン新しい半音と 5 つの半音）。 全部で 10 オクターブあり、通常、音楽作品を演奏するときは 7 ～ 8 オクターブが使用されます。 周波数が 3000 Hz を超える音は楽音として使用されず、あまりにも耳障りで耳障りです。
記事の内容
サウンドと音響。音は振動です。 弾性媒体 - 気体、液体、および固体における周期的な機械的摂動。 そのような怒り、それはいくつかです 物理的変化媒体中（たとえば、密度または圧力の変化、粒子の変位）は、音波の形で媒体内を伝播します。 音波の発生、伝播、受信、および処理を扱う物理学の分野は、音響学と呼ばれます。 周波数が人間の耳の感度を超えている場合、または耳と直接接触できない固体などの媒体内を伝播する場合、またはそのエネルギーが媒体内で急速に散逸する場合、音は聞こえないことがあります。 このように、私たちにとって音を知覚する通常のプロセスは、音響学の一側面にすぎません。
音波
空気で満たされた長いパイプを考えてみましょう。 左端から、壁にしっかりと取り付けられたピストンが挿入されます（図1）。 ピストンを右に急に動かして止めると、すぐ近くの空気が一瞬圧縮されます（図1、 a）。 次に、圧縮空気が膨張し、右側に隣接する空気を押し、ピストンの近くに最初に現れた圧縮領域がパイプ内を一定の速度で移動します（図1、 b）。 この圧縮波が気体中の音波です。
ガス中の音波は、過剰な圧力、過剰な密度、粒子の変位、およびそれらの速度によって特徴付けられます。 音波の場合、平衡値からのこれらの偏差は常に小さいです。 したがって、波に関連する過剰圧力は、ガスの静圧よりもはるかに小さくなります。 そうでなければ、別の現象、つまり衝撃波を扱っています。 通常の発話に対応する音波では、過剰圧力は約 100 万分の 1 にすぎません 大気圧.
物質が音波によって運ばれないことが重要です。 波は空気を通過する一時的な摂動にすぎず、その後、空気は平衡状態に戻ります。
もちろん、波動は音に限ったことではありません。光や無線信号は波の形で伝わり、水面の波は誰もが知っていることです。 すべてのタイプの波は、いわゆる波動方程式によって数学的に記述されます。
高調波。
図のパイプ内の波。 1 を音響パルスと呼びます。 ピストンがバネから吊り下げられたおもりのように前後に振動すると、非常に重要なタイプの波が生成されます。 このような振動は単調波または正弦波と呼ばれ、この場合に励起される波は高調波と呼ばれます。
単純な調和振動では、動きが周期的に繰り返されます。 2 つの同一の運動状態の間の時間間隔は振動周期と呼ばれ、1 秒あたりの完全な周期の数は振動周波数と呼ばれます。 で期間を表しましょう T、および周波数 へ; それからそれを書くことができます へ= 1/T.たとえば、周波数が毎秒 50 周期 (50 Hz) の場合、周期は 1/50 秒です。
数学的に単純な調和振動は、単純な関数によって記述されます。 任意の瞬間の単純な調和振動によるピストン変位 tの形で書くことができます
ここ d-平衡位置からのピストンの変位、および D定数乗数で、次の値に等しい 最大値量 d変位振幅と呼ばれます。
ピストンが調和振動の公式に従って振動するとします。 次に、右に移動すると、以前と同様に圧縮が発生し、左に移動すると、圧力と密度が平衡値に対して減少します。 圧縮ではなく、ガスの希薄化があります。 この場合、右図のように権利が伝播します。 2、交互の圧縮と希薄化の波。 各瞬間に、パイプの長さに沿った圧力分布曲線は正弦波の形になり、この正弦波は音速で右に移動します v. 同じ波の位相の間 (たとえば、隣接する最大値の間) のパイプに沿った距離は、波長と呼ばれます。 通常、ギリシャ文字で表されます。 l（ラムダ）。 波長 l時間内に波が移動した距離 T. それが理由です l = テレビ、 また v = lf。
縦波と横波。
粒子が波の伝播方向と平行に振動する場合、波は縦波と呼ばれます。 それらが伝播方向に対して垂直に振動する場合、波は横方向と呼ばれます。 気体や液体中の音波は縦波です。 固体では、両方のタイプの波があります。 固体の横波は、その剛性 (形状変化に対する抵抗) により可能です。
これら 2 種類の波の最も重要な違いは、せん断波には次の特性があることです。 分極化（振動は特定の平面で発生します）が、縦方向の振動は発生しません。 結晶を通る音の反射や透過などの一部の現象では、光波の場合と同様に、粒子の変位の方向に大きく依存します。
音波の速さ。
音速は、波が伝搬する媒体の特性です。 それは、素材の弾力性と密度の 2 つの要因によって決まります。 固体の弾性特性は、変形のタイプによって異なります。 そのため、金属棒の弾性特性は、ねじり、圧縮、曲げの間、同じではありません。 そして、対応する波の振動は異なる速度で伝播します。
弾性媒体とは、ねじれ、圧縮、曲げなどの変形が、変形を引き起こす力に比例する媒体です。 このような素材は、フックの法則に従います。
電圧 = C☑相対変形、
どこ からは、材料と変形の種類に応じた弾性係数です。
音速 v特定のタイプの弾性変形の場合、次の式で与えられます。
どこ rは材料の密度 (単位体積あたりの質量) です。
固体棒の音速。
長い棒は、先端に力を加えることで、伸ばしたり縮めたりすることができます。 棒の長さを L加えられた引張力 ふ、長さの増加は D L. 値 D L/L相対変形と呼び、ロッドの断面の単位面積あたりの力を応力と呼びます。 なので電圧は ふ/あ、 どこ しかし -ロッドの断面積。 このようなロッドに適用されるフックの法則は、
どこ よはヤング率、つまり ロッドの材料を特徴付ける、引張りまたは圧縮に対するロッドの弾性係数。 ヤング率は、ゴムなどの引っ張りやすい材料では低く、鋼などの硬い材料では高くなります。
ロッドの端をハンマーで叩いてその中に圧縮波を励起すると、速度で伝播します 、ここで r、前と同様に、ロッドが作られている材料の密度です。 いくつかの典型的な材料の波速度の値を表に示します。 1。
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表 1. 固体材料におけるさまざまな種類の波の音速 |
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| 素材 |
拡張された固体サンプルの縦波 (m/s) |
せん断およびねじり波 (m/s) |
ロッド内の圧縮波 (m/s) |
| アルミニウム | |||
| 真鍮 | |||
| 鉛 | |||
| 鉄 | |||
| 銀 | |||
| ステンレス鋼 | |||
| フリントグラス | |||
| クラウングラス | |||
| プレキシガラス | |||
| ポリエチレン | |||
| ポリスチレン | |||
ロッド内で考えられる波は圧縮波です。 ただし、ロッドの側面の動きは圧縮に関連しているため、厳密に縦方向と見なすことはできません（図3、 a).
ロッドでは、他の 2 種類の波、つまり屈曲波も可能です (図 3、 b）とねじれ波（図3、 の）。 曲げ変形は、純粋に縦方向でも純粋に横方向でもない波に対応します。 ねじり変形、つまり ロッドの軸を中心に回転すると、純粋に横波が発生します。
ロッド内の屈曲波の速度は、波長に依存します。 このような波は「分散」と呼ばれます。
ロッド内のねじれ波は、純粋に横方向で非分散性です。 それらの速度は次の式で与えられます
どこ メートルは、せん断に対する材料の弾性特性を特徴付けるせん断弾性率です。 いくつかの典型的なせん断波速度を表 1 に示します。 1。
拡張固体媒体の速度。
境界の影響を無視できる大容量の固体媒体では、縦方向と横方向の 2 種類の弾性波が可能です。
縦波の変形は平面変形です。 波の伝播方向における一次元圧縮 (または希薄化)。 横波に対応する変形は、波の伝播方向に垂直なせん断変位です。
固体材料の縦波の速度は、次の式で与えられます。
どこ C-L-単純な平面変形の弾性係数。 体積弾性率に関係しています で(以下で定義) と材料のせん断弾性率 m は次のようになります。 C L = B + 4/3メートル。表で。 1は、さまざまな固体材料の縦波の速度の値を示しています。
拡張された固体媒体でのせん断波の速度は、同じ材料のロッドでのねじり波の速度と同じです。 したがって、式 で与えられます。 従来の固体材料の値を表に示します。 1。
ガス中の速度。
気体では、圧縮 - 希薄化の 1 種類の変形のみが可能です。 対応弾性率 で体積弾性率と呼ばれます。 の関係で決まる.
-D P = B(D Ⅴ/Ⅴ).
ここD P– 圧力変化、D Ⅴ/Ⅴボリュームの相対的な変化です。 マイナス記号は、圧力が増加すると体積が減少することを示します。
価値 で圧縮中にガスの温度が変化するかどうかに依存します。 音波の場合、圧力が非常に急速に変化し、圧縮中に放出された熱がシステムから出る時間がないことを示すことができます。 したがって、音波の圧力の変化は、周囲の粒子との熱交換なしで発生します。 このような変化は断熱と呼ばれます。 気体中の音速は温度のみに依存することが確立されています。 特定の温度では、音速はすべての気体でほぼ同じです。 21.1°Cの温度では、乾燥空気中の音速は344.4 m / sで、温度の上昇とともに増加します。
液体中の速度。
液体中の音波は圧縮の波であり、気体の場合と同様に希薄化します。 速度は同じ式で与えられます。 ただし、液体は気体よりもはるかに圧縮性が低いため、量は で、より多く、密度 r. 液体中の音速は、気体中よりも固体中の音速に近くなります。 気体よりもはるかに小さく、温度に依存します。 たとえば、 淡水は、15.6 ° C で 1460 m/s に相当します。通常の塩分の海水では、同じ温度で 1504 m/s です。 水温が高くなり、塩分濃度が高くなると音速は速くなります。
定在波。
限られた空間で高調波が励起され、境界で跳ね返ると、いわゆる定在波が発生します。 定在波は、一方が直線を進み、他方が直線を進む 2 つの波が重なり合った結果です。 逆方向. 波腹と節が交互に存在する、空間では動かない振動のパターンがあります。 波腹では、振動粒子の平衡位置からの偏差が最大になり、節ではゼロに等しくなります。
ひも状の定在波。
引き伸ばされた弦では、横波が発生し、弦は元の直線的な位置に対して変位します。 弦の波を撮影すると、基音と倍音の節と腹がはっきりと見えます。
定在波の図は、特定の長さの弦の振動運動の分析を非常に容易にします。 長さの文字列があるとしましょう L端に付いています。 このような弦のあらゆる種類の振動は、定在波の組み合わせとして表すことができます。 弦の端は固定されているため、境界点に節を持つ定在波のみが可能です。 弦の振動の最低周波数は、可能な最大波長に対応します。 ノード間の距離は l/2、弦の長さが波長の半分に等しいとき、周波数は最小になります。 で l= 2L. これがいわゆる弦振動の基本モードです。 その対応する周波数は、基本周波数または基音と呼ばれ、次の式で与えられます。 へ = v/2L、 どこ v弦に沿った波の伝播速度です。
より多くのノードを持つ定在波に対応する高周波振動のシーケンス全体があります。 第二高調波または第一倍音と呼ばれる次に高い周波数は、次の式で与えられます。
へ = v/L.
高調波のシーケンスは次の式で表されます。 f = nv/2L、 どこ n= 1, 2, 3, 等 これがいわゆるです。 弦振動の固有振動数。 それらは自然数に比例して増加します: 2、3、4 などの高調波。 倍の基本周波数。 このような一連の音は、ナチュラルスケールまたはハーモニックスケールと呼ばれます。
これらはすべて、音楽の音響学において非常に重要です。これについては、以下で詳しく説明します。 今のところ、弦によって生成される音にはすべての自然周波数が含まれていることに注意してください。 それぞれの相対的な寄与は、弦の振動が励起されるポイントによって異なります。 たとえば、弦の真ん中を弾くと、この点が波腹に対応するため、基本周波数が最も励起されます。 節が中心にあるため、2 次高調波は存在しません。 他の高調波についても同じことが言えます（ 下記参照音楽音響）。
弦中の波の速さは
どこ T -弦のテンションと rL -弦の単位長さあたりの質量。 したがって、弦の固有周波数スペクトルは次の式で与えられます。
したがって、弦の張力の増加は、振動周波数の増加につながります。 特定の振動周波数を下げるには Tあなたは、より重い弦を取ることができます（大きな r L) またはその長さを増やします。
オルガンパイプの定在波。
弦に関連して述べた理論は、オルガン型パイプの空気振動にも適用できます。 オルガンパイプは単純化して、定在波が励振されている直管とみなすことができます。 パイプには、閉じた端と開いた端の両方があります。 開放端では定在波の腹が発生し、閉鎖端では結び目が発生する。 したがって、両端が開いたパイプには、パイプの長さに沿って波長の半分が収まる基本周波数があります。 一方、一方の端が開いていて、もう一方の端が閉じているパイプは、パイプの長さに沿って波長の 4 分の 1 が収まる基本周波数を持っています。 したがって、両端が開いているパイプの基本周波数は へ =v/2L、一方の端が開いているパイプの場合、 f = v/4L（どこ Lパイプの長さです）。 最初のケースでは、結果は弦の場合と同じです。倍音は 2 倍、3 倍などになります。 基本周波数の値。 ただし、一方の端が開いているパイプの場合、倍音は基本周波数よりも 3、5、7 など大きくなります。 一度。
図上。 図 4 と図 5 は、考慮されている 2 つのタイプのパイプの基本周波数と最初の倍音の定在波を概略的に示しています。 便宜上、オフセットはここでは横方向に示されていますが、実際には縦方向です。
共鳴振動。
定在波は共鳴現象と密接な関係があります。 上記の固有周波数は、弦やオルガン パイプの共鳴周波数でもあります。 ラウドスピーカーがオルガンパイプの開放端の近くに配置され、自由に変更できる特定の周波数の信号を発しているとします。 次に、ラウドスピーカー信号の周波数がパイプのメイン周波数またはその倍音の 1 つと一致する場合、パイプは非常に大きな音になります。 これは、ラウドスピーカーがかなりの振幅で気柱の振動を励起するためです。 トランペットはこの状態で共鳴すると言われています。
音のフーリエ解析と周波数スペクトル。
実際には、単一周波数の音波はまれです。 しかし、複雑な音波は高調波に分解できます。 この方法は、最初に (熱の理論で) 適用したフランスの数学者 J. フーリエ (1768–1830) にちなんでフーリエ解析と呼ばれます。
周波数に対する音の振動の相対的なエネルギーのグラフは、音の周波数スペクトルと呼ばれます。 このようなスペクトルには、離散と連続の 2 つの主なタイプがあります。 離散スペクトルは、空のスペースで区切られた周波数の個別の線で構成されます。 すべての周波数は、その帯域内の連続スペクトルに存在します。
定期的な音の振動。
振動プロセスがどんなに複雑であっても、特定の時間間隔の後に繰り返される場合、音の振動は周期的です。 そのスペクトルは常に離散的で、特定の周波数の高調波で構成されています。 したがって、「高調波分析」という用語。 例は、長方形の振動です（図6、 a) からの振幅の変化 +A前 - しかしと期間 T= 1/へ. もう 1 つの簡単な例は、図 3 に示す三角のこぎり波振動です。 6, b. 周期変動の例 複雑な形状対応する高調波成分を図に示します。 7。
楽音は周期的な振動であるため、倍音（倍音）を含んでいます。 弦では、基本周波数の振動に加えて、他の高調波がある程度励起されることをすでに見てきました。 各倍音の相対的な寄与は、弦が励起される方法によって異なります。 倍音のセットは、主に以下によって決定されます。 音色楽音。 これらの問題については、以下の音楽音響のセクションで詳しく説明します。
音響パルスのスペクトル。
通常のさまざまな音は、短時間の音です。手をたたく、ドアをノックする、床に物が落ちる音、カッコウの鳴き声などです。 そのような音は周期的でも音楽的でもありません。 しかし、それらは周波数スペクトルに分解することもできます。 この場合、スペクトルは連続的になります。音を説明するには、すべての周波数が特定の帯域内にある必要があり、非常に広い可能性があります。 そのような周波数スペクトルを知ることは、対応する電子システムがこれらすべての周波数を等しく「通過」する必要があるため、歪みのない音を再生するために必要です。
音波パルスの主な特徴は、単純な形のパルスを考えることによって明らかにすることができます。 音が持続時間Dの振動であると仮定しましょう tで、圧力の変化は図のようになります。 8、 a. この場合のおおよその周波数スペクトルを図 1 に示します。 8、 b. 中心周波数は、同じ信号が無期限に延長された場合の振動に対応します。
周波数スペクトルの長さは帯域幅 D と呼ばれます。 へ（図8、 b）。 帯域幅は、過度の歪みなしに元のパルスを再現するために必要な周波数のおおよその範囲です。 D の間には非常に単純な基本関係があります。 へとD t、すなわち
D へ D t" 1。
この関係は、すべての音響パルスに有効です。 その意味は、パルスが短いほど、含まれる周波数が多くなるということです。 ソナーを使用して潜水艦を検出し、持続時間が 0.0005 秒、信号周波数が 30 kHz のパルスの形で超音波を放出するとします。 帯域幅は 1/0.0005 = 2 kHz で、ロケータ パルスのスペクトルに実際に含まれる周波数は 29 ～ 31 kHz の範囲にあります。
ノイズ。
ノイズとは、複数の調整されていないソースによって生成されるサウンドを指します。 たとえば、木の葉が風に揺れる音。 ジェットエンジンの騒音は、高速排気流の乱流によるものです。 迷惑な音としてのノイズは、アートで考慮されます。 環境の音響汚染。
音の強さ。
音量が異なる場合があります。 これが音波によって運ばれるエネルギーによるものであることは容易にわかります。 ラウドネスを定量的に比較するには、音の強さの概念を導入する必要があります。 音波の強度は、単位時間あたりの波面の単位面積を通る平均エネルギー束として定義されます。 つまり、音を完全に吸収する単一の領域 (たとえば 1 cm 2) を取り、それを波の伝播方向に垂直に配置すると、音の強さは 1 秒間に吸収される音響エネルギーに等しくなります。 . 強度は通常、W/cm2 (または W/m2) で表されます。
いくつかのなじみのある音に対して、この値の値を与えます。 振幅 過圧通常の会話中に発生する約 100 万分の 1 気圧であり、これは 10 -9 W/cm 2 程度の音の音響強度に相当します。 通常の会話中に発せられる音の総出力は、わずか 0.00001 ワットのオーダーです。 このような小さなエネルギーを知覚する人間の耳の能力は、その驚くべき感受性を証明しています。
私たちの耳が知覚する音の強さの範囲は非常に広いです。 耳が耐えられる最大の音の強さは、聞こえる最小の音の約 1014 倍です。 音源のフルパワーは、同様に広い範囲をカバーします。 したがって、非常に静かなささやきの間に放出される電力は 10-9 W のオーダーになる可能性がありますが、ジェット エンジンによって放出される電力は 10-5 W に達します。 ここでも、強度は 10 14 倍異なります。
デシベル。
音は強弱が大きく異なるため、対数値と考えてデシベルで測った方が便利です。 強度の対数値は、考慮された量の値とその値の比率の対数であり、元の値と見なされます。 強度レベル J条件付きで選択された強度に関して J 0は
騒音レベル = 10 lg ( J/J 0)デシベル。
したがって、別の音より 20 dB 強い音は 100 倍の音になります。
音響測定の実践では、対応する過圧振幅で音の強さを表すのが通例です。 ピー. 圧力が、従来選択された圧力に対するデシベルで測定される場合 R 0 、いわゆる音圧レベルを取得します。 音の強さは大きさに比例するので ピー 2 、および lg( ピー 2) = 2lg ピー、音圧レベルは次のように決定されます。
音圧レベル = 20 lg ( ピー/P 0)デシベル。
呼び圧力 R 0 = 2×10–5 Pa は、周波数 1 kHz の音の標準的な聴力閾値に対応します。 表で。 図 2 は、いくつかの一般的な音源の音圧レベルを示しています。 これらは、可聴周波数範囲全体にわたって平均化することによって得られる積分値です。
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表 2. 典型的な音圧レベル |
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| 音源 |
音圧レベル、dB (rel. 2H 10–5 Pa) |
| スタンピングショップ | |
| 船内のエンジンルーム | |
| 紡織店 | |
| 地下鉄の車内 | |
| 渋滞中の車内 | |
| タイプライター局 | |
| 会計 | |
| オフィス | |
| 居住区 | |
| 夜の住宅街 | |
| 放送スタジオ | |
音量。
音圧レベルは単純な関係ではありません。 心理的知覚音量。 これらの要因の最初のものは客観的であり、2 つ目は主観的なものです。 実験は、ラウドネスの知覚が音の強さだけでなく、その周波数と実験条件にも依存することを示しています。
比較条件に縛られていない音の音量は比較できません。 それでも、純音の比較は興味深いものです。 これを行うには、特定のトーンが周波数 1000 Hz の標準トーンと同じ大きさに知覚される音圧レベルを決定します。 図上。 図９は、フレッチャーとマンソンの実験で得られた等ラウドネス曲線を示す。 各曲線には、1000 Hz の標準音の対応する音圧レベルが示されています。 たとえば、トーン周波数が 200 Hz の場合、音圧レベル 50 dB の 1000 Hz のトーンと同じように知覚するには、60 dB のサウンド レベルが必要です。
これらの曲線は、デシベルで測定されるラウドネスの単位であるハムを定義するために使用されます。 背景は、同じ大きさの標準純音（1000Hz）の音圧レベルを1dBとしたときの音量レベルです。 したがって、周波数が 200 Hz、レベルが 60 dB の音の音量レベルは 50 フォンです。
図の下の曲線。 9は、良い耳の聴力閾値曲線です。 可聴周波数の範囲は、約 20 ～ 20,000 Hz です。
音波の伝播。
静かな水に小石を投げたときの波のように、音波はあらゆる方向に伝播します。 このような伝搬過程を波面として特徴付けると便利です。 波面は空間内の表面であり、そのすべての点で同じ位相で振動が発生します。 水に落ちた小石の波面は円です。
フラットウェーブ。
最も単純な形の波面はフラットです。 平面波は一方向にのみ伝搬し、実際には近似的にのみ実現される理想化です。 パイプ内の音波は、音源から遠く離れた球面波のように、ほぼ平坦であると見なすことができます。
球面波。
単純なタイプの波には、点から発せられ、すべての方向に伝播する、球状の前面を持つ波が含まれます。 このような波は、小さな脈動球を使用して励起できます。 球面波を励起する源は点源と呼ばれます。 このような波の強度は、エネルギーがより大きな半径の球体に分散されるため、伝搬するにつれて減少します。
球面波を生成する点源が 4 の累乗を放射する場合 pQ、そして、半径を持つ球の表面積から r 4に等しい p r 2 、球面波の音の強さはに等しい
J = Q/r 2 ,
どこ rソースからの距離です。 したがって、球面波の強度は、光源からの距離の 2 乗に反比例して減少します。
伝播中の音波の強度は、音の吸収により減少します。 この現象については後述します。
ホイヘンスの原理。
ホイヘンスの原理は、波面の伝播に有効です。 それを明確にするために、ある時点で私たちが知っている波面の形状を考えてみましょう。 しばらく経っても見つかる D t、初期波面の各点が、この間隔を介して距離まで伝播する基本的な球面波のソースと見なされる場合 v D t. これらすべての基本球面波面のエンベロープが新しい波面になります。 ホイヘンスの原理により、伝播プロセス全体で波面の形状を決定できます。 また、媒体が均一であれば、平面と球形の両方の波が伝播中に形状を保持することも意味します。
音の回折。
回折は、障害物の周りで曲がる波です。 回折は、ホイヘンスの原理を使用して分析されます。 この曲がりの程度は、波長と障害物または穴のサイズとの関係に依存します。 音波の波長は光の波長より何倍も長いので、音波の回折は光の回折ほど驚くことはありません。 そのため、建物の角に立っている人と話すことができますが、彼は見えません。 音波は角を曲がりやすく、光は波長が小さいため、シャープな影を作ります。
穴の開いた固体平面スクリーンに入射する平面音波の回折を考えてみましょう。 画面の反対側の波面の形状を決定するには、波長と波長の関係を知る必要があります。 lと穴径 D. これらの値がほぼ同じまたは lもっとたくさん D、完全な回折が得られます。出射波の波面は球面になり、波はスクリーンの後ろのすべてのポイントに到達します。 もしも lやや少ない Dの場合、発信波は主に順方向に伝搬します。 そして最後に、もし lはるかに少ない Dの場合、そのすべてのエネルギーは直線的に伝播します。 これらのケースを図に示します。 十。
回折は、音の通り道に障害物がある場合にも観察されます。 障害物の寸法が波長よりもはるかに大きい場合、音が反射され、障害物の背後に音響シャドー ゾーンが形成されます。 障害物のサイズが波長と同程度かそれ以下の場合、音はあらゆる方向にある程度回折します。 これは、建築音響学で考慮されます。 たとえば、建物の壁が音の波長程度の突起で覆われていることがあります。 (周波数 100 Hz では、空気中の波長は約 3.5 m です。) この場合、壁に当たる音はあらゆる方向に散乱します。 建築音響学では、この現象を音の拡散と呼びます。
音の反射と伝達。
ある媒質中を伝わる音波が別の媒質との界面に入射すると、3 つのプロセスが同時に発生する可能性があります。 波は界面から反射するか、方向を変えずに別の媒体に通過するか、界面で方向を変えることができます。 屈折します。 図上。 図 11 は、平面波が 2 つの平面を分離する平面に直角に入射する場合の最も単純なケースを示しています。 さまざまな物質. 反射エネルギーの割合を決定する強度反射係数が次の場合 Rの場合、透過係数は次のようになります。 T = 1 – R.
音波の場合、振動体積速度に対する過剰圧力の比率は、音響インピーダンスと呼ばれます。 反射係数と透過係数は、2 つの媒体の波動インピーダンスの比率に依存し、波動インピーダンスは音響インピーダンスに比例します。 気体の波動抵抗は、液体や固体の波動抵抗よりもはるかに小さいです。 そのため、空気中の波が厚い固形物や深い水の表面に当たると、音はほぼ完全に反射されます。 たとえば、空気と水の境界では、波の抵抗の比率は 0.0003 です。 したがって、空気から水に伝わる音のエネルギーは、入射エネルギーのわずか 0.12% に等しくなります。 反射係数と透過係数は可逆です。反射係数は反対方向の透過係数です。 したがって、音は実際には空気から水域へ、または水中から外へと浸透しません。これは、水中を泳いだすべての人によく知られています。
上で検討した反射の場合、波の伝搬方向における第２の媒質の厚さは大きいと仮定された。 しかし、2 番目の媒質が部屋間の固体仕切りなど、2 つの同一の媒質を分離する壁である場合、透過係数は大幅に大きくなります。 事実、壁の厚さは通常、音の波長よりも小さいか、それに匹敵します。 壁の厚さが壁の音の波長の半分の倍数である場合、垂直入射での波の透過係数は非常に大きくなります。 バッフルは、ここでは無視している吸収がなければ、この周波数の音に対して完全に透明になります。 壁の厚さがその中の音の波長よりもはるかに小さい場合、反射は常に小さく、透過は大きくなります。
音の屈折。
平面音波が界面に斜めに入射すると、その反射角は入射角に等しくなります。 入射角が90°以外の場合、透過波は入射波の方向からずれます。 この波の方向の変化を屈折と呼びます。 平坦な境界での屈折のジオメトリを図 に示します。 12.波の方向と表面の法線との間の角度が示されています q入射波は1、 q 2 - 屈折した過去のために。 これら 2 つの角度の関係には、2 つのメディアの音速の比率のみが含まれます。 光波の場合と同様に、これらの角度はスネル (スネル) の法則によって互いに関連しています。
したがって、第 2 媒体の音速が第 1 媒体の音速よりも小さい場合、屈折角は入射角よりも小さくなり、第 2 媒体の速度が大きい場合、屈折角は大きくなります。入射角よりも。
温度勾配による屈折。
不均一な媒質内の音速が点から点へと連続的に変化する場合、屈折も変化します。 空気中と水中の両方の音速は温度に依存するため、温度勾配が存在する場合、音波は進行方向を変えることができます。 大気と海洋では、水平成層のために、垂直方向の温度勾配が一般的に観察されます。 したがって、垂直に沿った音速の変化により、温度勾配により、音波は上または下に偏向する可能性があります。
地球の表面に近い場所の空気が上層よりも暖かい場合を考えてみましょう。 そして、高度が上がるにつれて、ここの気温は下がり、それに伴って音速も下がります。 地球の表面近くの音源から放出された音は、屈折により上に上がります。 これを図に示します。 音の「ビーム」を示す図１３。
図に示す音線のたわみ。 13 は、一般にスネルの法則によって記述されます。 もし通れば q、前述のように、垂直方向と放射方向の間の角度を表すと、一般化されたスネルの法則は等式 sin の形式を持ちます q/v= 梁の任意の点を参照する const。 したがって、ビームが速度が v減少し、角度 qも減るはずです。 したがって、音響ビームは常に音速が減少する方向に偏向されます。
図から。 図 13 では、音源から少し離れたところに、音の光線がまったく透過しない領域があることがわかります。 いわゆる無音地帯です。
図に示されているよりも高い高さのどこかにある可能性は十分にあります。 図 13 に示すように、温度勾配により、音速は高さとともに増加します。 この場合、最初にずれていた上向きの音波は、ここで遠く離れた地表にずれます。 これは、大気中に温度反転の層が形成されたときに発生し、その結果、超長距離の音声信号を受信できるようになります。 同時に、離れた場所での受信品質は、近くよりもさらに優れています。 歴史上、超長距離受信の例は数多くあります。 たとえば、第一次世界大戦中、大気条件が適切な音の屈折に有利だったとき、フランス戦線の大砲はイギリスで聞こえました。
水中での音の屈折。
海洋では、垂直方向の温度変化による音の屈折も観察されます。 深さとともに温度が低下し、したがって音速が低下する場合、音の光線は下方に偏向され、図 1 に示すような無音の領域が生じます。 雰囲気は13。 海の場合は、この絵をひっくり返すだけで対応する絵になります。
無音ゾーンの存在により、検出が困難になります 潜水艦ソナー、および音波を下方に偏向させる屈折により、表面近くの伝播範囲が大幅に制限されます。 ただし、上向きのたわみも見られます。 ソナーにとってより有利な条件を作り出すことができます。
音波の干渉。
2つの重ね合わせまたは もっと波は電波干渉と呼ばれます。
干渉による定在波。
上記の定在波は、干渉の特殊なケースです。 定在波は、振幅、位相、周波数が同じで、反対方向に伝搬する 2 つの波が重なった結果として形成されます。
定在波の腹での振幅は、各波の振幅の 2 倍に等しくなります。 波の強度はその振幅の 2 乗に比例するため、これは腹の強度が各波の強度の 4 倍、または 2 つの波の合計強度の 2 倍であることを意味します。 ノードでの強度がゼロであるため、ここではエネルギー保存の法則に違反していません。
ビート。
異なる周波数の高調波の干渉も可能です。 2 つの周波数にほとんど差がない場合、いわゆるうなりが発生します。 ビートは、元の周波数の差に等しい周波数で発生する音の振幅の変化です。 図上。 ビート波形を図１４に示す。
ビート周波数は、音の振幅変調の周波数であることに注意してください。 また、うなりを高調波信号の歪みから生じる差周波数と混同しないでください。
ビートは、2 つのトーンをユニゾンでチューニングするときによく使用されます。 ビートが聞こえなくなるまで周波数を調整します。 ビート周波数が非常に低くても、人間の耳は音量の周期的な上昇と下降を拾うことができます。 したがって、ビートは可聴域で非常に敏感なチューニング方法です。 設定が正確でない場合、周波数差は 1 秒間のビート数を数えることで耳で判断できます。 音楽では、高調波成分のビートも耳で知覚され、ピアノの調律に使用されます。
音波の吸収。
音波の伝播過程における音波の強度は、音響エネルギーの特定の部分が散乱されるという事実により、常に減少します。 熱伝達、分子間相互作用、および内部摩擦のプロセスにより、音波はあらゆる媒体に吸収されます。 吸収の強さは、音波の周波数と、媒体の圧力や温度などの他の要因に依存します。
媒体における波の吸収は、吸収係数によって定量的に特徴付けられます。 a. 伝搬する波が移動した距離に応じて、過剰圧力が減少する速さを示します。 過圧の振幅の減少 –D ピー距離D通過時 バツ初期過圧の振幅に比例 ピーと距離 D バツ. この上、
-D ピー = ぺー D バツ.
例えば、吸収損失を1dB/mとすると、距離50mでは音圧レベルが50dB低下することになります。
内部摩擦による吸収と熱伝導。
音波の伝搬に関連する粒子の移動中、媒体の異なる粒子間の摩擦は避けられません。 液体や気体では、この摩擦は粘性と呼ばれます。 音波エネルギーの熱への不可逆的な変換を決定する粘度は、気体や液体における音の吸収の主な理由です。
さらに、気体および液体の吸収は、波の圧縮中の熱損失によるものです。 波の通過中に、圧縮段階のガスが加熱されることはすでに述べました。 この急速に流れるプロセスでは、熱は通常、ガスの他の領域や容器の壁に伝達される時間がありません。 しかし実際には、このプロセスは理想的ではなく、放出された熱エネルギーの一部がシステムを離れます。 これに関連して、熱伝導による吸音があります。 このような吸収は、気体、液体、および固体の圧縮波で発生します。
粘性と熱伝導率の両方による吸音は、一般に周波数の 2 乗で増加します。 したがって、高周波音は低周波音よりもはるかに強く吸収されます。 たとえば、通常の圧力と温度では、空気中の周波数 5 kHz での吸収係数 (両方のメカニズムによる) は約 3 dB/km です。 吸収は周波数の 2 乗に比例するため、50 kHz での吸収係数は 300 dB/km です。
固形物への吸収。
気体や液体で起こる熱伝導率と粘性による吸音のメカニズムは、固体でも保たれています。 ただし、ここでは新しい吸収メカニズムが追加されています。 それらは、固体の構造の欠陥に関連しています。 ポイントは、多結晶固体材料は小さな結晶子で構成されているということです。 音がそれらを通過すると、変形が発生し、音のエネルギーが吸収されます。 音も結晶子の境界で散乱します。 また、単結晶にも吸音に寄与する転位型欠陥が存在します。 転位は、原子面の調整の違反です。 音波が原子を振動させると、転位が移動して元の位置に戻り、内部摩擦によってエネルギーが散逸します。
転位による吸収は、特に鉛のベルが鳴らない理由を説明します。 鉛は転位の多い柔らかい金属であるため、音の振動は非常に速く減衰します。 でも、液体の空気で冷やすとよく鳴ります。 低温では、転位は固定位置で「凍結」するため、移動せず、音響エネルギーを熱に変換しません。
ミュージカル音響
音楽の音。
音楽音響学では、音楽の音の特徴、私たちの感じ方に関係する特性、楽器の音のメカニズムについて研究しています。
音楽の音またはトーンは周期的な音です。 一定期間後に何度も繰り返される変動。 周期的な音は、基本周波数の倍数である周波数の振動の和として表すことができると上で述べました。 へ: 2へ, 3へ, 4へ等 また、振動する弦と空気の柱が音楽的な音を発することも注目されました。
音楽の音は、大きさ、高さ、音色の 3 つの特徴によって区別されます。 これらの指標はすべて主観的なものですが、測定値に関連付けることができます。 ラウドネスは主に音の強さに関係しています。 音楽システムにおけるその位置を特徴付ける音のピッチは、トーンの周波数によって決まります。 ある楽器や声が別の楽器や声と異なる音色は、高調波に対するエネルギーの分布と、この分布の経時変化によって特徴付けられます。
音程。
楽音のピッチは周波数と密接に関連していますが、ピッチの評価は主観的なものであるため、同一ではありません。
たとえば、単一周波数の音のピッチの推定値は、そのラウドネスのレベルに多少依存することがわかりました。 音量が大幅に増加すると (たとえば 40 dB)、見かけの周波数が 10% 減少する可能性があります。 実際には、楽音は単一周波数の音よりもはるかに複雑であるため、ラウドネスへのこの依存性は問題になりません。
ピッチと周波数の関係については、別の重要な問題があります。楽音がハーモニクスで構成されている場合、知覚されるピッチはどの周波数に関連付けられているのでしょうか。 これは、最大エネルギーに対応する周波数ではなく、スペクトルの最低周波数ではない可能性があります。 たとえば、200、300、400、500 Hz の周波数のセットで構成される楽音は、100 Hz の高さの音として知覚されます。 つまり、音のスペクトルに含まれていなくても、ピッチは倍音列の基本周波数に関連付けられています。 確かに、ほとんどの場合、基本周波数はスペクトル内にある程度存在します。
ピッチとその周波数の関係について言えば、人間の聴覚器官の特徴を忘れてはなりません。 これは、独自の歪みを導入する特別な音響受信機です (聴覚には心理的および主観的な側面があるという事実は言うまでもありません)。 耳はいくつかの周波数を選択できます。さらに、音波は非線形歪みを受けます。 周波数選択性は、音の大きさと強さの違いによるものです (図 9)。 元の信号には存在しない周波数の出現で表現される非線形歪みを説明することはより困難です。 耳の反応の非線形性は、さまざまな要素の動きの非対称性によるものです。
の一つ 特性非線形受信システムは、周波数を持つ音で励起されたときのことです へ 1 倍音が励起されている 2 へ 1 , 3へ 1 、...、場合によってはタイプ 1/2 のサブハーモニクス へ 1 。 さらに、非線形システムが 2 つの周波数によって励起される場合、 へ 1および へ 2、和と差の周波数が励起されます へ 1 + へ 2 と へ 1 - へ 2. 初期振動の振幅が大きいほど、「余分な」周波数の寄与が大きくなります。
したがって、非線形性により、 音響特性耳は、音に存在しない周波数を受信する場合があります。 このような周波数は主観的トーンと呼ばれます。 音が 200 Hz と 250 Hz の周波数を持つ純音で構成されていると仮定しましょう。 応答の非線形性により、250 - 200 = 50、250 + 200 = 450、2' 200 = 400、2' 250 = 500 Hz などの追加の周波数が表示されます。 リスナーには、サウンドに組み合わせ周波数のセット全体があるように見えますが、実際には、それらの出現は耳の非線形応答によるものです。 楽音が基本周波数とその高調波で構成されている場合、基本周波数が差周波数によって効果的に増幅されることは明らかです。
確かに、研究によると、主観的な周波数は元の信号の十分に大きな振幅でのみ発生することが示されています。 したがって、過去には音楽における主観的な周波数の役割が非常に誇張されていた可能性があります。
音楽基準と楽音のピッチの測定。
音楽の歴史では、さまざまな周波数の音をメイントーンとして採用し、それが音楽全体の構造を決定してきました。 現在、一般的に受け入れられている最初のオクターブの音「ラ」の周波数は 440 Hz です。 しかし、過去には 400 Hz から 462 Hz に変更されました。
音の高さを決定する伝統的な方法は、それを標準的な音叉の音と比較することです。 所定の音の周波数が基準からずれているかどうかは、ビートの存在によって判断されます。 音叉は今日でも使用されていますが、音域全体でスムーズに調整できる安定した周波数基準発振器（水晶振動子を使用）など、ピッチを決定するためのより便利なデバイスがあります。 確かに、そのようなデバイスを正確に調整することは非常に困難です。
ピッチを測定するストロボスコープ法が広く使用されており、楽器の音がストロボランプの点滅の周波数を設定します。 ランプは、既知の周波数で回転するディスク上のパターンを照らし、トーンの基本周波数は、ストロボ照明下のディスク上のパターンの見かけの動きの周波数から決定されます。
耳はピッチの変化に非常に敏感ですが、その感度は周波数に依存します。 可聴域の下限付近で最大になります。 訓練を受けていない耳でも、500 Hz と 5000 Hz の間の周波数の差は 0.3% しか検出できません。 感受性は訓練によって高めることができます。 ミュージシャンは非常に発達した音感を持っていますが、これは基準オシレーターによって生成される純音の周波数を決定するのに常に役立つとは限りません。 これは、耳で音の周波数を決定する場合、その音色が重要な役割を果たすことを示唆しています。
音色。
音色とは、同じピッチとラウドネスの音を比較したとしても、楽器や声に独自の特異性を与える楽音の特徴を指します。 これは、いわば音質です。
音色は、音の周波数スペクトルと時間の経過に伴う変化に依存します。 それはいくつかの要因によって決定されます：倍音に対するエネルギーの分布、音が現れたり止まったりする瞬間に発生する周波数（いわゆる遷移音）とその減衰、そして音のゆっくりとした振幅と周波数変調。 （"ビブラート"）。
倍音の強さ。
中央部分をつまむと励起される、伸びた弦を考えてみましょう (図 15、 a）。 すべての偶数高調波は中間にノードがあるため、それらは存在せず、振動は次の基本周波数の奇数高調波で構成されます。 へ 1 = v/2l、 どこ v-弦の波の速度、および lその長さです。 したがって、周波数のみが存在します。 へ 1 , 3へ 1 , 5へ 1等 これらの高調波の相対振幅を図 1 と図 2 に示します。 15、 b.
この例により、次の重要な一般的な結論を導き出すことができます。 共振システムの高調波のセットはその構成によって決まり、高調波に対するエネルギーの分布は励起方法によって異なります。 弦が中央で励起されると、基本周波数が支配的になり、偶数倍音は完全に抑制されます。 弦の中間部分を固定し、別の場所で弾くと、基本周波数と奇数倍音が抑制されます。
詳細は非常に異なる場合がありますが、これはすべて他の有名な楽器にも当てはまります。 楽器には通常、音を出すための空洞、響板、またはホーンがあります。 これらすべてが、倍音の構造とフォルマントの外観を決定します。
フォルマント。
前述のように、楽器の音質は高調波のエネルギー分布に依存します。 多くの楽器、特に人間の声のピッチを変更すると、主な倍音が常にほぼ同じ周波数範囲に位置するように倍音の分布が変化します。これをフォルマント範囲と呼びます。 フォルマントが存在する理由の 1 つは、響板や空気共鳴器など、音を増幅するための共鳴要素の使用です。 自然共鳴の幅は通常大きいため、対応する周波数での放射効率が高くなります。 金管楽器の場合、フォルマントは音を出すベルによって決まります。 フォルマントの範囲内にある倍音は、最大のエネルギーで放出されるため、常に強く強調されます。 フォルマントは、楽器や声の音の特徴的な質的特徴を大きく決定します。
時間の経過とともに変化する音色。
楽器の音のトーンは、時間の経過とともに一定に保たれることはめったになく、音色は本質的にこれに関連しています。 楽器が長い音を持続する場合でも、周波数と振幅のわずかな周期的な変調があり、サウンドを豊かにします - 「ビブラート」。 これは、バイオリンなどの弦楽器や人間の声に特に当てはまります。
ピアノなどの多くの楽器の場合、音の長さは、一定のトーンが形成される時間がないようなものです。興奮した音は急速に増加し、その後急速な減衰が続きます。 倍音の減衰は通常、周波数に依存する効果 (音響放射など) によるものであるため、倍音の分布がトーンの過程で変化することは明らかです。
いくつかの楽器の音色の経時変化（音の立ち上がりと立ち下がりの割合）の性質を模式的に示したのが図1です。 18. ご覧のとおり、弦楽器 (撥弦楽器と鍵盤楽器) には一定の音色がほとんどありません。 このような場合、音は時間とともに急速に変化するため、条件付きでのみ倍音のスペクトルについて話すことができます。 立ち上がりと立ち下がりの特性も、これらの楽器の音色の重要な部分です。
移行トーン。
通常、音の倍音構成は、音響励起後短時間で急速に変化します。 弦を叩いたり弾いたりすることによって音が励起される楽器では、高調波 (および多くの非高調波成分) に起因するエネルギーは、音が始まった直後、および数分の一秒後にこれらの周波数が最大になります。フェード。 トランジショナルと呼ばれるこのような音は、楽器の音に特定の色を付けます。 ピアノでは、ハンマーが弦を叩く動作によって発生します。 同じ倍音構造を持つ楽器でも、移行音でしか区別できない場合があります。
楽器の音
楽音は興奮して変化することができます 違う方法、それに関連して、楽器はさまざまな形で区別されます。 楽器は、ほとんどの場合、ミュージシャン自身と、科学的理論に頼らない熟練した職人によって作成および改良されました。 したがって、音響科学では、たとえばバイオリンがなぜこのような形をしているのかを説明することはできません。 ただし、バイオリンの音の特性を次のように説明することは十分に可能です。 一般原理その上のゲームとそのデザイン。
楽器の周波数範囲は、通常、その基音の周波数範囲として理解されています。 人間の声は約2オクターブ、楽器は少なくとも3オクターブ（大きなオルガンは10オクターブ）をカバーしています。 ほとんどの場合、倍音は可聴音域のギリギリまで伸びています。
楽器には、振動要素、振動要素を励起するためのメカニズム、および振動要素と周囲の空気との間の音響伝達のための補助共振器 (ホーンまたはサウンドボード) の 3 つの主要部分があります。
楽音は時間的に周期的であり、周期的な音は一連の高調波で構成されています。 固定長の弦と気柱の振動の固有振動数は調和的に関連しているため、多くの楽器では主な振動要素は弦と気柱です。 いくつかの例外を除いて (フルートはその 1 つです)、楽器では 1 つの周波数の音を出すことはできません。 メインバイブレータが励振されると、倍音を含んだ音が発生します。 一部のバイブレータの共振周波数は高調波成分ではありません。 この種の楽器 (ドラムやシンバルなど) は、オーケストラ音楽で特別な表現力とリズムの強調のために使用されますが、メロディーの開発には使用されません。
弦楽器。
振動する弦はそれ自体では音を発しにくいため、弦楽器には、顕著な強度の音を励起するための追加の共鳴器が必要です。 それは空気の閉じたボリューム、デッキ、または両方の組み合わせである可能性があります。 楽器の音の性質は、弦の励振方法によっても決まります。
長さが固定された弦の振動の基本周波数は Lによって与えられます
どこ Tは弦の張力、 r L弦の単位長さあたりの質量です。 したがって、周波数を変更するには、長さ、張力、または質量の 3 つの方法があります。 多くの楽器は、同じ長さの少数の弦を使用します。弦の基本周波数は、張力と質量の適切な選択によって決まります。 他の周波数は、弦の長さを指で短くすることによって得られます。
ピアノなどの他の楽器には、各音符に対して事前に調整された多くの弦の 1 つがあります。 周波数範囲が広いピアノの調律は、特に低周波領域では容易ではありません。 すべてのピアノ弦の張力はほぼ同じ（約2kN）で、弦の長さと太さを変えることでさまざまな周波数を実現しています。
弦楽器は、弾く（ハープやバンジョーなど）、打撃（ピアノ）、または弓（バイオリン系の楽器の場合）によって興奮させることができます。 いずれの場合も、上に示したように、倍音の数とその振幅は、弦の励振方法によって異なります。
ピアノ。
打撃によって弦の励振が生じる楽器の典型的な例は、ピアノフォルテです。 楽器の大きな響板は幅広いフォルマントを提供するため、その音色は興奮した音に対して非常に均一です。 主なフォルマントの最大値は 400 ～ 500 Hz のオーダーの周波数で発生し、より低い周波数ではトーンは特に高調波に富み、基本周波数の振幅は一部の倍音の振幅よりも小さくなります。 ピアノでは、最も短い弦を除くすべての弦のハンマーの打撃は、弦の一方の端から弦の長さの 1/7 に位置する点に当たります。 これは通常、この場合、基本周波数に対して不協和である第 7 高調波が大幅に抑制されるという事実によって説明されます。 しかし、ツチ骨の幅が限られているため、7 度近くにある他の高調波も抑制されます。
ヴァイオリン一家。
バイオリン系の楽器では、長い音は弓によって生成されます。弓は、弦に可変の駆動力を加え、弦を振動させ続けます。 動いている弓の作用下で、弦は摩擦により横に引っ張られ、張力の増加により切れるまで続きます。 元の位置に戻り、再び弓に流されます。 これを繰り返すことで弦に周期的な外力が作用します。
サイズが大きくなり、周波数範囲が小さくなる順に、主要な弦楽器は次のように配置されます：バイオリン、ビオラ、チェロ、コントラバス。 これらの楽器の周波数スペクトルは特に倍音が豊富で、間違いなくサウンドに特別な暖かさと表現力を与えます。 ヴァイオリン ファミリーでは、振動する弦は、非常に広い周波数範囲を占めるフォルマントの構造を主に決定する空気空洞と楽器の本体に音響的に接続されています。 ヴァイオリンファミリーの大部分の代表者は、フォルマントのセットが低周波にシフトしています。 したがって、バイオリン系の 2 つの楽器で同じ音を鳴らしても、倍音の構造の違いにより、異なる音色が得られます。
バイオリンは、そのボディの形状により、500 Hz 付近に顕著な共鳴があります。 この値に近い周波数の音を鳴らすと、「ウルフトーン」と呼ばれる不要な振動音が発生することがあります。 バイオリン本体の内部の空洞にも独自の共振周波数があり、その主な周波数は 400 Hz 付近にあります。 ヴァイオリンは、その特殊な形状により、密集した多数の共鳴音を持っています。 オオカミの音を除いて、抽出された音の一般的なスペクトルでは、それらのすべてが実際には目立ちません。
管楽器。
木管楽器。
有限長の円筒パイプ内の空気の固有振動については、以前に説明しました。 固有振動数は一連の高調波を形成し、その基本周波数はパイプの長さに反比例します。 管楽器の楽音は、気柱の共鳴励起によって発生します。
空気の振動は、共振器の壁の鋭いエッジに当たるエア ジェット内の振動によって、または空気流内のタングの柔軟な表面の振動によって励起されます。 どちらの場合も、工具バレルの局所的な領域で周期的な圧力変化が発生します。
これらの励起方法の最初のものは、「エッジトーン」の発生に基づいています。 空気の流れがスロットから出て、鋭いエッジを持つくさび形の障害物によって壊れると、渦が定期的に現れます-最初は片側に、次にくさびの反対側に。 それらの形成の頻度は、気流の速度が速いほど大きくなります。 そのような装置が共振気柱に音響的に結合されている場合、エッジトーン周波数は気柱の共振周波数によって「捕捉」されます。 渦形成の頻度は気柱によって決まります。 このような条件下では、気流の速度が特定の最小値を超えた場合にのみ、気柱の主周波数が励起されます。 この値を超える特定の範囲の速度では、エッジ トーンの周波数はこの基本周波数に等しくなります。 さらに高い気流速度 (共振器との通信がない場合のエッジ周波数が共振器の 2 次高調波に等しくなる速度に近い速度) では、エッジ周波数が急激に 2 倍になり、システム全体によって放出されるピッチが変わります。オクターブ高くなります。 これをオーバーフローと呼びます。
エッジ トーンは、オルガン、フルート、ピッコロなどの楽器の気柱を励起します。 フルートを演奏するとき、パフォーマーは端の 1 つの近くのサイド ホールに横から吹き込むことによってエッジ トーンを励起します。 「D」以上の 1 オクターブの音は、バレルの有効長を変更し、側面の穴を開けて、通常のエッジ トーンで得られます。 より高いオクターブは誇張されています。
管楽器の音を励起するもう 1 つの方法は、リードでできているため、リードと呼ばれる振動舌による空気の流れの周期的な中断に基づいています。 この方法は、さまざまな木管楽器や金管楽器で使用されています。 シングルリード（クラリネット、サックス、アコーディオンタイプの楽器など）と対称ダブルリード（オーボエやファゴットなど）のオプションがあります。 どちらの場合も、振動プロセスは同じです。空気が狭い隙間に吹き込まれ、ベルヌーイの法則に従って圧力が低下します。 同時に、杖が隙間に引き込まれ、それを覆います。 流れがない場合、弾性杖はまっすぐになり、このプロセスが繰り返されます。
管楽器では、フルートのようにスケールの音の選択は、側面の穴を開けてオーバーブローすることによって行われます。
倍音の完全なセットを持つ両端が開いているパイプとは異なり、一方の端だけが開いているパイプには奇数倍音しかありません ( cm. その上）。 これがクラリネットの構成なので、偶数倍音も弱く表現されています。 クラリネットのオーバーブローは、メインの 3 倍の周波数で発生します。
オーボエでは、第 2 ハーモニクスがかなり強烈です。 ボアが円錐形であるという点でクラリネットとは異なりますが、クラリネットでは、ボアの断面はその長さの大部分で一定です。 円錐形のバレルの周波数は、円筒形のパイプよりも計算が難しくなりますが、倍音の全範囲が存在します。 この場合、閉じた狭い端を持つ円錐管の振動周波数は、両端が開いた円筒管の振動周波数と同じです。
真鍮の管楽器。
ホルン、トランペット、コルネット・ア・ピストン、トロンボーン、ホルン、チューバなどの金管楽器は、唇によって刺激され、特殊な形状のマウスピースと組み合わせることで、ダブルリードのような動きをします。 音響励起中の空気圧は、ここでは木管楽器よりもはるかに高くなります。 真鍮の管楽器は、原則として、円筒形と円錐形のセクションを持つ金属製のバレルで、ベルで終わります。 セクションは、高調波の全範囲が提供されるように選択されています。 バレルの全長は、パイプの1.8mからチューバの5.5mまであります。 チューバは、音響的な理由ではなく、扱いやすいようにカタツムリの形をしています。
バレルの長さが固定されているため、演奏者はバレルの固有周波数によって決定される音符のみを自由に使用でき（さらに、基本周波数は通常「取られません」）、高調波はマウスピース内の空気圧を高めることによって励起されます. したがって、固定長のラッパで演奏できる音符はごくわずか (2 度、3 度、4 度、5 度、6 度の高調波) です。 他の金管楽器では、高調波の間にある周波数はバレルの長さの変化とともに取られます。 トロンボーンはこの意味でユニークで、格納式の U 字型の翼のスムーズな動きによってバレルの長さが調整されます。 音階全体の音の列挙は、胴体の興奮した倍音の変化を伴う翼の 7 つの異なる位置によって提供されます。 他の金管楽器では、これは、長さの異なる 3 つの側面チャンネルを異なる組み合わせでバレルの全長を効果的に増加させることによって達成されます。 これにより、7 つの異なるバレル長が得られます。 トロンボーンと同様に、この 7 つのステムの長さに対応するさまざまな一連の倍音の励起によって、スケール全体の音符が演奏されます。
すべての金管楽器の音色は倍音に富んでいます。 これは主にベルの存在によるもので、高周波数での音の放射効率が向上します。 トランペットとホルンは、ラッパよりもはるかに広い範囲のハーモニクスを演奏するように設計されています。 I.バッハの作品におけるソロトランペットの部分には、シリーズの第4オクターブに多くのパッセージが含まれており、この楽器の21番目の高調波に達しています。
打楽器。
打楽器は、楽器本体を叩いて自由振動を発生させて音を出します。 打撃によっても振動が励起されるピアノとは、このような楽器は2つの点で異なります。振動体は倍音を与えず、追加の共鳴器なしで音を放射することができます。 打楽器には、ドラム、シンバル、シロフォン、トライアングルが含まれます。
固体の振動は、同じ形状の空気共振器の振動よりもはるかに複雑です。 より多くの種類変動。 そのため、圧縮、曲げ、およびねじれの波が金属棒に沿って伝播する可能性があります。 したがって、円筒形のロッドには、円筒形の気柱よりも多くの振動モードがあり、したがって共振周波数があります。 さらに、これらの共振周波数は高調波列を形成しません。 木琴は、中実の棒の曲げ振動を利用しています。 振動するシロフォン バーの基本周波数に対する倍音比は、2.76、5.4、8.9、および 13.3 です。
音叉は振動する湾曲した棒であり、その主なタイプの振動は、両方のアームが同時に互いに近づくか、互いに離れるときに発生します。 音叉には倍音の倍音系列がなく、基本周波数のみが使用されます。 その最初の倍音の周波数は、基本周波数の 6 倍以上です。
音楽音を生成する振動する固体の別の例は、ベルです。 鐘のサイズは、小さな鐘から数トンの教会の鐘までさまざまです。 ベルが大きいほど、ベルの音は低くなります。 鐘の形やその他の特徴は、何世紀にもわたる進化の過程で多くの変化を遂げてきました。 非常に少数の企業が製造に従事しており、これには優れたスキルが必要です。
ベルの最初の倍音系列は倍音ではなく、異なるベルの倍音比は同じではありません。 したがって、たとえば、1 つの大きなベルの場合、基本周波数に対する倍音周波数の測定比は、1.65、2.10、3.00、3.54、4.97、および 5.33 でした。 しかし、ベルが打たれた直後に、倍音全体のエネルギーの分布が急速に変化し、ベルの形状は、支配的な周波数が互いにほぼ調和的に関連するように選択されているようです。 ベルの音程は基本周波数ではなく、打った直後の優勢な音で決まります。 これはベルの 5 倍音にほぼ相当します。 しばらくすると、ベルの音に低い倍音が優勢になり始めます。
ドラムでは、振動要素は革の膜であり、通常は円形で、伸ばされた弦の 2 次元の類似物と見なすことができます。 音楽において、ドラムは弦ほど重要ではありません。なぜなら、ドラムの固有周波数の自然なセットは高調波ではないからです。 例外はティンパニで、その膜は空気共鳴器の上に張られています。 ドラムの倍音列は、ヘッドの厚みを半径方向に変化させることで倍音にすることができます。 そのようなドラムの例は タブラインド古典音楽で使われる。
音は媒体 (空気の場合が多い) 中の弾性波で、目には見えませんが、人間の耳には知覚できます (波は鼓膜に作用します)。 音波は縦圧縮希薄波です。
真空を作ると、音を区別できるようになりますか? ロバート ボイルは 1660 年にガラスの器に時計を置きました。 彼が空気をポンプでくみ上げたとき、彼は音を聞きませんでした。 経験が証明している 音を伝えるには媒体が必要です.
音は、液体および固体媒体でも伝搬できます。 水の下では、石の衝撃がはっきりと聞こえます。 木の板の一方の端に時計を置きます。 耳を反対側に向けると、時計の時を刻む音がはっきりと聞こえます。
音波は木材を伝搬する
音源は必然的に振動体です。 たとえば、ギターの弦は通常の状態では鳴りませんが、振動させるとすぐに音波が発生します。
しかし、経験上、すべての振動体が音源であるとは限りません。 たとえば、糸にぶら下がっているおもりは音を立てません。 実際のところ、人間の耳はすべての波を知覚するわけではなく、16 Hz から 20,000 Hz の周波数で振動する物体を作り出す波のみを知覚します。 そのような波は呼ばれます 音. 周波数が 16 Hz 未満の振動は呼ばれます。 インフラサウンド. 20,000 Hzを超える周波数の振動は呼ばれます 超音波.
音速
音波は瞬時に伝播するのではなく、特定の有限の速度 (等速運動の速度に似ています) で伝播します。
そのため、雷雨の間、最初に稲妻、つまり光が見え（光の速度は音の速度よりもはるかに大きい）、次に音が聞こえます。
音速は媒体によって異なります。固体と液体では、音速は空気中よりもはるかに大きくなります。 これらは表形式の測定定数です。 媒体の温度が上がると音速が上がり、下がると音速が下がります。
音が違う。 音を特徴付けるために、音の大きさ、ピッチ、音色などの特別な量が導入されます。
音の大きさは、振動の振幅に依存します。振動の振幅が大きいほど、音は大きくなります。 さらに、私たちの耳による音の大きさの知覚は、音波の振動周波数に依存します。 より高い周波数の波はより大きく知覚されます。
音波の周波数によってピッチが決まります。 音源の振動周波数が高いほど、それによって生成される音は高くなります。 人間の声は、ピッチによっていくつかの音域に分けられます。
さまざまな音源からの音は、さまざまな周波数の調和振動の組み合わせです。 周期が最も大きい（周波数が最も低い）成分を基音と呼びます。 残りの音成分は倍音です。 これらのコンポーネントのセットは、サウンドの色付け、音色を作成します。 さまざまな人々の声の倍音の全体性は、少なくとも少し異なりますが、これが特定の声の音色を決定します。
エコー. エコーは、山、森、壁、大きな建物など、さまざまな障害物からの音の反射の結果として形成されます。 エコーは、元の発声音とは別に反射音が知覚された場合にのみ発生します。 多くの反射面があり、それらが人から異なる距離にある場合、反射された音波は異なる時間に到達します。 この場合、エコーは複数になります。 エコーを聞くには、障害物は人から 11m の距離にある必要があります。
音の反射。音は滑らかな表面で跳ね返ります。 したがって、ホーンを使用すると、音波はすべての方向に散乱するのではなく、狭いビームを形成するため、音響パワーが増加し、より遠くに広がります。
一部の動物 (コウモリ、イルカなど) は超音波振動を発し、障害物からの反射波を感知します。 そのため、周囲のオブジェクトの位置と距離を決定します。
エコーロケーション. これは、物体から反射された超音波信号によって物体の位置を特定する方法です。 ナビゲーションで広く使用されています。 船舶への搭載 ソナー- 水中物体を認識し、底の深さと地形を決定するための装置。 容器の底にはエミッターとサウンドレシーバーが配置されています。 エミッターは短い信号を出します。 戻ってきた信号の遅延時間と方向を分析することにより、コンピューターは音を反射した物体の位置とサイズを決定します。
超音波は、機械部品のさまざまな損傷 (ボイド、クラックなど) を検出して判断するために使用されます。 この目的で使用されるデバイスは、 超音波探傷器. 短い超音波信号の流れが調査中の部品に向けられ、その内部の不均一性から反射され、戻ってきて受信機に落ちます。 欠陥のない場所では、信号は大きな反射なしに部品を通過し、受信機によって記録されません。
超音波は、特定の疾患を診断および治療するために医療で広く使用されています。 X線とは異なり、その波は組織に有害な影響を与えません。 超音波診断 (米国)外科的介入なしで、臓器や組織の病理学的変化を認識することができます。 特殊な装置が 0.5 ～ 15 MHz の周波数の超音波を体の特定の部分に送信し、それらが調査中の臓器から反射され、コンピューターがその画像を画面に表示します。
低周波音は、さまざまな媒体での吸収が少ないという特徴があり、その結果、空気、水、および地殻内の低周波音の波が非常に長い距離にわたって伝播する可能性があります。 この現象は、 場所の決定強い爆発や発射武器の位置。 海中の長距離にわたる超低周波音の伝搬により、 自然災害予測- 津波。 クラゲや甲殻類などは超低周波音を感知することができ、嵐が始まるずっと前にその接近を感じます。