Biophysics · 17.01

波としての音

Sound as a wave

応用トピック: 囁語・会話音・音叉による古典的聴力検査と聴覚生理の基礎純音聴力検査・ティンパノメトリーと主観的・客観的聴力検査騒音性・感染性・中毒性内耳障害発声・言語障害と音声医学の現代的検査法

🧠 音は媒質を必要とする力学的波mechanical wave力学的波（mechanical wave）mechanical wave（力学的波）動であり、気体・液体では主に縦波longitudinal wave縦波（longitudinal wave）longitudinal wave（縦波）である。圧縮compaction圧縮（compaction）compaction（圧縮）と希薄rarefaction希薄（rarefaction）rarefaction（希薄）化が交互alternating交互（alternating）alternating（交互）に伝播する。

音を運ぶ弾性と慣性

粒子そのものが遠くへ移動するのではなく、圧力と密度の微小変化が隣の粒子へ伝わる。音速sound speed音速（sound speed）sound speed（音速）cは媒質の弾性と慣性inertia慣性（inertia）inertia（慣性）で決まり、周波数fは音源、波長λはc/fとして媒質ごとに変わる。

波としての音を表す式

c=\sqrt{\frac{K}{\rho}},\qquad c=f\lambda

$K$ は体積弾性率（Pa）、 $\rho$ は密度（kg/m³）である。 $c=f\lambda$ では $f$ がHz、 $\lambda$ がmとなる。

圧縮・希薄化の伝播

音速sound speed音速（sound speed）sound speed（音速）は媒質の体積弾性率が大きいほど速く、密度が大きいほど遅い。

flowchart TD
  A["音を運ぶ弾性と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inertia'>慣性</span>"] --> B
  B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='compaction'>圧縮</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='rarefaction'>希薄</span>化の伝播"] --> C
  C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sound speed'>音速</span>は媒質の体積弾性率が大きいほど速く、密度が大きいほど遅い"] --> D
  D["医用超音波の周波数域"]

医用超音波の周波数域

音は縦波longitudinal wave縦波（longitudinal wave）longitudinal wave（縦波）として圧縮compaction圧縮（compaction）compaction（圧縮）と希薄rarefaction希薄（rarefaction）rarefaction（希薄）化を伝え、その音速sound speed音速（sound speed）sound speed（音速）は媒質の体積弾性率が大きいほど速く、密度が大きいほど遅い。医用超音波では、この圧力振動を圧電素子piezoelectric element圧電素子（piezoelectric element）piezoelectric element（圧電素子）で電気信号PSP, postsynaptic potential電気信号（PSP, postsynaptic potential）PSP, postsynaptic potential（電気信号）と相互変換する。

超音波は20 kHz超、医用では主にMHz帯を用いる。線形波動として扱えるのは変位と圧力変化が十分小さい場合であり、強い超音波では非線形non-linear非線形（non-linear）non-linear（非線形）伝播や高調波が無視neglect無視（neglect）neglect（無視）できない。

まとめ

音は媒質を必要とする力学的波mechanical wave力学的波（mechanical wave）mechanical wave（力学的波）動であり、気体・液体では主に縦波longitudinal wave縦波（longitudinal wave）longitudinal wave（縦波）である。圧縮compaction圧縮（compaction）compaction（圧縮）と希薄rarefaction希薄（rarefaction）rarefaction（希薄）化が交互alternating交互（alternating）alternating（交互）に伝播する。
音速sound speed音速（sound speed）sound speed（音速）は媒質の体積弾性率が大きいほど速く、密度が大きいほど遅い。
超音波は20 kHz超、医用では主にMHz帯を用いる。