物理学

学習目標

このセクションの終わりまでに、次のことができるようになります：

• 聴覚、ピッチ、ラウドネス、音色、音、音波、超音波、低周波を定義します。
• ラウドネスを周波数と音の強さに比較できる。
• 内耳の構造を特定し、それらが音の知覚にどのように関係しているかを説明できる。

図1. 聴覚のおかげで、このボーカリストや彼のバンド、そしてファンが音楽を楽しむことができるのです。 (credit: West Point Public Affairs, Flickr)

Figure 2. 正常な聴覚を持つ人の強度レベル（デシベル）と強度（ワット毎平方メートル）に対するラウドネス（フォン）の関係。 曲線は等ラウドネス曲線で、曲線上の音はすべて同じ大きさとして知覚される。 フォンとデシベルは1000Hzで同じになるように定義されている

例1. ラウドネスを測定する

1. 強度レベルが80dBの100Hzの音のラウドネスをフォンで表すと？
2. ラウドネスが70フォンの4000Hzの音の強度レベルはデシベルで何ですか？
3. 8000Hzの音が60dBの200Hzの音と同じラウドネスになる強度レベルは？

その1の攻略法

この例を解くには、図2のグラフを参照する必要があります。 ある音のラウドネスを求めるには、その周波数と強度レベルを知り、その点を正方形のグリッド上に見つけて、ラウドネス曲線間を補間して、ラウドネスをフォンで得る必要があります。

ラウドネス：75フォンを求める。

パート2の戦略

この例を解くには、図2のグラフを参照する必要がある。 音の強弱を求めるには、その周波数とラウドネスが必要です。 その点がわかれば、縦軸から強度レベルを求めることができます。

その2の解答

既知のものを特定する。値は70フォンで4000Hzと与えられています。

70フォンの曲線に沿って4000Hzになるまで進みます。 その時点で、約67dBで70dBの線より下にある。

強度レベルを求める：67dB

パート3の攻略法

この例を解くには、図2のグラフを参照すること。

パート3の解決法

200Hz、60dBの音の点を見つける。 ラウドネスを求めよ。 この点は50フォンの曲線の少し上にあるので、そのラウドネスは51フォンとなる。 51フォンのレベルは8000Hzにあることを探します。 4333>

議論

これらの答えは、図2から抽出したすべての情報と同様に、数フォンまたは数デシベルの不確実性を持っています。一部は補間の難しさに起因しますが、ほとんどは等ラウドネス曲線の不確実性に関係しています。 まず、0フォーン曲線より下の音は、ほとんどの人が知覚できない。 つまり、たとえば40dBの60Hzの音は聞き取れないのです。 0フォーン曲線は、正常な聴覚の閾値を表している。 私たちは0 dB以下の強度レベルでもいくつかの音を聞き取ることができる。 例えば、3dBの5000Hzの音は0フォーンカーブより上にあるため、聞き取ることができる。 ラウドネス曲線はすべて、約2000Hzと5000Hzの間にくぼみがある。 この凹みは、耳がその範囲の周波数に最も敏感であることを意味する。 例えば、4000 Hzで15dBの音は20フォンのラウドネスを持ち、これは1000 Hzで20dBの音と同じである。 この曲線は、周波数範囲の両極端で上昇しており、中間の周波数と同じ音量と感じるためには、これらの周波数でより大きな強度の音が必要であることを示している。 例えば、10,000 Hzの音を1000 Hzの20 dBの音と同じ大きさに感じるには、30 dBの強度レベルが必要である。 120フォーン以上の音は痛みを伴い、ダメージも大きい。

私たちはしばしば、聴覚の全領域を活用することはない。 特に8000Hz以上の周波数は環境中にほとんど存在せず、会話を理解したり音楽を鑑賞したりするのに不要な周波数です。 実際、このような高い周波数を聞き取れなくなった人は、検査を受けるまでそのことに気づかないのが普通である。 図3の斜線領域は、ほとんどの会話音が該当する周波数と強度の領域である。 曲線は、40フォンと60フォンの難聴がどのような影響を及ぼすかを示している。 すべての周波数において40フォンの難聴であっても、会話は理解できるが、非常に小さく感じられるだろう。 60フォンの難聴の場合、低い音しか聞こえないため、通常より大きな音でないと会話が理解できません。 それでも、高い周波数がよく聞こえないため、音声が不明瞭に感じられることがあります。 会話音声の領域には性別の要素もあり、女性の声は通常、高い周波数が特徴です。 そのため、60フォンの聴覚障害を持つ人は、女性の普通の会話を理解するのが難しいかもしれません。

図3. 網掛け部分は、通常の会話に見られる周波数と強度のレベルを表している。 0フォンの線は正常な聴力閾値を表し、40と60の線はそれぞれ40フォンと60フォンの難聴者の閾値を表す。

聴覚検査は、通常250から8000ヘルツまでの周波数範囲で行われ、図4のようなオージオグラムにグラフ表示することができる。 聴力閾値は正常な閾値に対するdBで測定され、正常な聴力はすべての周波数で0dBと記録されるようになる。 騒音による難聴は、難聴の原因となった周波数に関係なく、一般的に4000Hzの周波数付近でディップを示し、多くの場合、両耳に影響を及ぼす。 最も一般的な難聴は、加齢によるもので、老齢耳と呼ばれます。 このような難聴は高い周波数になるほど深刻になり、音楽の鑑賞や会話の認識に支障をきたします。 3人の異なる個人の周波数に対する強度レベルの閾値を示す聴力図。 強度レベルは正常な閾値に対する相対値で測定されている。 左上のグラフは正常な聴覚を持つ人のものである。 その右側のグラフは4000Hzでディップしており、キャップガンで難聴になった子供のものである。 3つ目のグラフは、加齢に伴い高音域の聴力が徐々に低下する老眼の典型的な例です。 骨伝導による検査（括弧内）は、神経の損傷と中耳の損傷を区別することができます。

聴覚のメカニズム

聴覚のメカニズムには、興味深い物理学的な要素があります。 私たちの耳に入射する音波は、圧力波です。 耳は音波を電気神経インパルスに変換する変換器であり、マイクロフォンよりもはるかに洗練されているが、類似したものである。 図5は、耳を外耳道、中耳（鼓膜から蝸牛まで）、内耳（蝸牛自体）の3つの部分に分けた解剖学的構造を示している。 通常、耳と呼ばれている部分は、専門的には「耳介」と呼ばれています。

図5. 図5は、人間の耳の解剖学的構造を示している。

外耳（外耳道）は、凹んで保護された鼓膜に音を伝える。 外耳道内の気柱は共鳴し、2000～5000Hzの音に対する耳の感度に部分的に関与しています。 中耳は音を機械的な振動に変換し、その振動を蝸牛に加える。 中耳のレバーシステムは、音圧の変化により鼓膜に加えられた力を増幅し、卵円窓を介して内耳に伝え、鼓膜に加えられた力の約40倍の圧力波を蝸牛に発生させる。 (図6参照）中耳にある2つの筋肉（図示せず）は、非常に強い音から内耳を守っている。 この筋肉は、強い音に数ミリ秒で反応し、蝸牛に伝わる力を弱める。 この保護反応は自分の声でも起こすことができるので、例えば銃を撃ちながら鼻歌を歌うと、騒音の被害を減らすことができる

図6. 音圧を力に変換し、その力をテコの原理で増大させ、増大した力を蝸牛の小さな領域に加えることで、元の音波の約40倍の圧力を発生させる中耳の仕組みを示した模式図である。 激しい音に対する保護筋の反応により、テコの原理による機械的な利点は大幅に減少します

図7は、中耳と内耳をより詳細に示しています。 蝸牛内を移動する圧力波によって胸膜が振動し、繊毛（有毛細胞と呼ばれる）がこすれ、神経を刺激して電気信号を脳に送る。 この振動膜は、周波数によって異なる位置で共振し、高い周波数は手前の神経を、低い周波数は奥の神経を刺激する。 蝸牛の完全な動作はまだ解明されていないが、脳に情報を送るためのいくつかのメカニズムが知られている。 約1000Hz以下の音に対しては、神経は音と同じ周波数の信号を送る。 約1000Hz以上の周波数では、神経は位置によって周波数を信号化する。 繊毛の構造があり、神経細胞間の接続があり、情報を脳に送る前に信号処理を行う。 強弱の情報は、神経信号の数や信号のボレーで一部示される。 脳は蝸牛神経信号を処理して、音源の方向などの追加情報を提供する（両耳からの音の時間と強度の比較に基づく）。 より高度な処理により、音楽鑑賞のような多くのニュアンスが生まれます

図7. 内耳（蝸牛）は、直径約3mm、巻かれていない状態では長さ3cmのコイル状の管である。 図のように卵円窓が内側に押し込まれると、圧力波が周囲リンパを矢印の方向に伝わり、コルチ器官の繊毛の基部にある神経を刺激する。

中耳や内耳に問題があるため、聴力低下が起きることがある。 中耳の伝音難聴は、音の振動を頭蓋骨を通して蝸牛に送ることで、部分的に克服することができます。 この目的の補聴器は、多くの補聴器のように外耳道に送られた音を単に増幅するのではなく、耳の後ろの骨に押し当てるのが一般的です。 蝸牛の神経の損傷は修復できませんが、増幅することで部分的に補うことができます。 しかし、増幅されることによって、さらに損傷が進行する危険性があります。 蝸牛のもう一つの一般的な障害は、繊毛の損傷または喪失ですが、神経は機能的に残っています。 神経を直接刺激する人工内耳は、現在では入手可能であり、広く受け入れられています。 4333>

人工内耳は、1970年代にオーストラリアのメルボルンで、耳の聞こえない父親のためにGraeme Clark氏によって開発されたものです。 インプラントは、3つの外部コンポーネントと2つの内部コンポーネントから構成されています。 外付け部品は、音を拾って電気信号に変換するマイク、特定の周波数を選択するスピーチプロセッサ、電磁誘導によって信号を内付け部品に伝えるトランスミッタである。 内部部品は、皮膚の下の骨に固定された受信機／送信機で、信号を電気インパルスに変換し、内部ケーブルを通して蝸牛と蝸牛に巻かれた約24個の電極の配列に送ります。 この電極がインパルスを直接脳へ送るのです。

項まとめ

• 可聴周波数の範囲は20～20,000 Hzである。
• 20,000Hz以上は超音波、20Hz以下は低周波音です。
• 周波数の知覚はピッチです。
• 強さの知覚はラウドネスです。
• ラウドネスにはフォンの単位があります。

用語集

ラウドネス：音の強さの知覚

ティンブル：複数の音の周波数の数と相対強度

ノート：特定の名前を持つ音楽の基本単位、組み合わせて曲を生成

tone.Tone: 音の周波数比

ラウドネス：複数の周波数が混在する音。 複数の音の周波数の数と相対的な強さ

phon: 音量の数値単位

ultrasound: 20,000 Hz以上の音

infrasound: 20 Hz以下の音