音、周波数、音響スペクトル入門。
超音波について学ぶ前に、まずは音そのものについて理解を深めることが重要です。私たちは毎分、実に様々な音を耳にしていますが、それらがどのように相互作用しているのかを説明できる人はほとんどいません。
簡単に言うと、音とは空気分子の振動です（だから宇宙には音が存在しないのです！）。物体が振動すると、周囲の空気分子が動きます。これらの分子は隣の分子にぶつかり、それが連鎖的に続きます。こうして空気中を伝わる振動の波が発生し、これが私たちが音として認識するものです。空気自体が音波と完全に一緒に伝わるわけではありません。むしろ、それぞれの空気分子は静止点から離れていきますが、最終的にはその静止点に戻ります。音が発生する過程は、次の3つの段階に分けられます。
振動源
波動伝播（媒体、すなわち空気分子を通じたエネルギーの伝達）。
生物学的検出（鼓膜）
音を聞くとき、私たちの耳は空気中を伝わる圧力波を感知しています。1秒間に発生する圧力振動の回数を周波数といい、ヘルツ（Hz）で表されます（1Hz＝1秒間に1回の振動）。これらの圧力波は外耳に入り、鼓膜を振動させます。外耳で集められた音波はさらに内耳へと伝わり、そこで電気信号が生成されます。これらの信号は脳に伝達され、脳がそれを私たちが認識し、聞き取れる音へと変換します。
音響スペクトル
人間の可聴域、つまり私たちが聞き取れる音の周波数範囲は、20 Hz から 20 kHz (20,000 Hz) です。周波数は音高に直接関係しているので、20 Hz の音は非常に低い音高 (例えば、深い低音) になります。可聴域のもう一方の端は技術的には 20 kHz ですが、ほとんどの成人はこの付近の音を聞き取るのに苦労します。甲高い口笛でさえ、周波数はわずか 10 kHz です。デシベル(dB) は、音のもう 1 つの主要な測定単位です。ただし、周波数と音高は 1 秒あたりの振動数に関係しますが、デシベルは強度/音量、つまり圧力波の振幅に関連する独立した測定単位です。先ほど説明したように、可聴域には私たちが聞くことができる音波が含まれます。しかし、世界には私たちが聞くことのできない音がたくさんあります。音響スペクトルは、機械的振動と波として媒体を伝播できる音波周波数の全範囲を指します。音響スペクトルは一般的に4つの主要な周波数帯域に分けられます。
超低周波音：20Hz未満。人間には聞こえないほど低い音だが、体感できる。
例えば、遠くの火山や地震の轟音。
可聴音域：20Hz～20kHz。人間の聴覚の標準的な範囲内とみなされる。
例えば、声、音楽、車など。
超音波：20kHz～少なくとも100kHz。これは人間の可聴域をはるかに超えています。
例えば、ガス、電気、機械的な問題、動物のエコーロケーションなど。
ハイパーサウンド：10^13 Hz（10,000,000,000,000 Hz）。
古典的な音波理論は破綻し始める。これは我々の関心範囲をはるかに超えている。
周波数と振幅の関係
可聴域外の音は聞こえないため、デシベルが発生しないと考えるかもしれません。しかし、音を聞き取れるかどうかは周波数が主な要因であることを覚えておいてください。音響スペクトル全体にわたる音は、依然としてデシベルを発生させます。大きな音が聴覚に損傷を与えることは周知の事実です。コンサート、爆発音、その他90 dBを超える音は、一般的に長期曝露の危険域に該当します。しかし、超音波などの他の音響域の音もデシベルを発生させることがすでに明らかになっています。これらの音は聴覚に損傷を与えることはありませんが、聴覚には聞こえない悪影響を引き起こす可能性があります。超低周波音域の音は不安感や吐き気を引き起こす可能性があり、多くの超音波は頭痛、めまい、耳の圧迫感を引き起こす可能性があります。実際、非常に振幅の大きい（約180 dB）超音波は深刻な内臓損傷を引き起こす可能性があり、その場合、何も聞こえません。周波数、そしてそれぞれのヘルツ（Hz）は、聞こえる音を客観的に分類するものではないことを覚えておいてください。コウモリは1kHzから200kHzを超える音まで聞き取ることができます。コウモリの可聴域には超音波域が含まれますが、人間の可聴域には含まれません。人間はエコーロケーションなどの技術を視覚化する必要がありますが、コウモリやイルカは関連する超音波周波数を聴覚的に聞き取ることができるのです。
おめでとうございます！音、周波数、音響スペクトルに関する入門講座を修了しました！
