2. 音データの基礎知識
2.1 音波とは何か（縦波・横波、伝わり方）
音は、空気や水、金属といった物質の中を「ふるえ」が広がっていく現象で、物理ではこれを波として扱う。ここでいう波とは、物質そのものが遠くへ流れて行くことではなく、物質の中の小さな粒（空気なら空気分子）がその場付近で前後に揺れ、その揺れが隣へ隣へと伝わっていくことを意味する。この「揺れの伝達」が波であり、音波はその代表例である。[1][2][3]
波には大きく分けて二つのタイプがある。第一は横波で、波が進む向き（進行方向）に対して、物質が揺れる向きが直角になるものだ。ロープの一端を上下に振ってできる波は、右へ進む波に対してロープは上下に揺れるから横波の典型例である。水面の波の見た目も横波のイメージに近く、山と谷が移動していく形で説明しやすい。第二は縦波で、波が進む向きと同じ向きに物質が揺れるものだ。ばねを前後（伸び縮みする向き）に揺らすと、ばねの中に「詰まったところ（密）」と「すいたところ（疎）」が交互にできて、それが伝わっていくが、これが縦波のイメージである。[4][5][6][7][8]
音波は基本的に縦波である。空気を例にすると、音源（スピーカーの振動板や声帯など）が前後に空気を押したり引いたりするため、空気中には密と疎が交互に生じる「疎密波」が発生し、その疎密が進行方向へ伝わっていく。ここで動いているのは空気の塊が遠くへ流れることではなく、各場所の空気分子がその場付近で前後に小さく揺れ、その影響が隣へ伝わっていく、という仕組みである。したがって音は「粒子の変位の向き」と「波の進行方向」が一致する縦波として説明される。[9][2][1]
縦波と横波の違いをもう一度整理する。横波は、進む向きと垂直に物質が揺れる波で、ロープの上下の振動が右向きに伝わるような形で視覚化しやすい。一方、縦波は、進む向きと同じ向きに物質が揺れる波で、ばねの伸び縮みや空気の疎密の移動として理解する。見た目の図では横波が山谷の形を描けるのに対し、縦波は密と疎が移動する図で表されることが多い。教科書や講義では、理解しやすくするために、実際は縦波である音を、グラフ上で横波風に描いて「密や疎の位置」を見分けやすく表す手法（縦波の横波表示）も説明される。[5][6][8]
音が縦波になる理由は、気体や液体では「横方向のずれ（せん断）」に対して元に戻ろうとする力がほとんど働かないからだ。押せば元に戻る「体積方向の弾性」は気体・液体にもあるため、圧縮と膨張が交互に伝わる縦波は進むことができる。一方、横波は物質の中で粒同士が横ずれしたときに元に戻す力（せん断弾性）が必要で、これは固体には強く存在するが、気体や液体には基本的にない。そのため、横波は固体では伝わるが、気体・液体では伝わりにくい。これが「気体や液体では音は縦波として伝わる」と説明される背景である。[10][11][9]
音の伝わり方をもう少し丁寧にたどる。音源が空気を一瞬前へ押すと、その周辺の空気が少し密になる。密になった部分では圧力が周りより高くなり、周辺へ押し出す力が働いて、その密が隣へ進む。押された領域の後ろ側は相対的に疎になり、今度はそこへ周囲の空気が流れ込んで元に戻ろうとする。こうした「密」と「疎」の交代が次々と空間を移動していくのが音の伝播であり、粒はその場付近で前後に小さく往復し、全体としての攪乱（波）が前に進む。[3][4][1]
縦波・横波の具体例を挙げると、縦波には音波と地震のP波（初期に到達する圧縮波）があり、横波にはロープの波や地震のS波（せん断波）がある。固体の中では縦波も横波も伝わるが、気体・液体の中では基本的に縦波のみが伝わる。この違いは、媒質（波を伝える物質）の性質、特にせん断変形に対する抵抗の有無に由来する。[11][2][10]
縦波は波形をそのまま山谷で描きにくいので、学習では「横波表示」を使うことがある。これは、縦波の疎密の場所や粒の変位を、便宜上、上下の変位としてグラフに描き、時間とともに右へ左へスライドしていく様子で表すものだ。こうすると、密の場所が「山の位置」、疎の場所が「谷の位置」に対応するなど、位置関係の追跡が容易になる。扱いのポイントは、図は見やすくするための表示であって、実際の粒の運動は進行方向と同じ前後である、という解釈の一致を保つことだ。[6][12][8]
音速（音の伝わる速さ）は、媒質の性質によって変わる。一般に、固体の中では非常に速く、液体でその次、気体では相対的に遅い。これは、圧縮されたときにどれだけ強く元に戻そうとするか（体積弾性）と、粒の質量あたりの動きやすさが関係しているためである。たとえば鋼の中の縦波速度は数千m/sとされ、気体の中よりはるかに速い。真空には粒がないので音波は伝わらない、というのも重要な性質である。[13][2][4]
ここまでを感覚的にまとめると、音は「押し戻す性質」を利用した前後の押し引き（圧縮と膨張）のリレーであり、隣の層へと疎密の模様が渡されていく。横波は「横方向のずれを戻す性質」を利用した上下や左右の揺れのリレーである。空気や水は横のずれを戻す力が弱いので横波は進みにくいが、前後の押し引きには強く反応するので縦波として音が伝わる、という理解が要点になる。[9][10][11]
最後に、身近な観察に結びつけておく。スピーカーの振動板が前に出ると空気が圧縮され密の波頭が生まれ、後ろに引くとその後ろに疎が生じる。これが次々に空間を進み、耳では鼓膜が前後に微小に押され引かれ、その振動を神経が電気信号に変えて音として感じる。見かけは音が空間を移動しているように思えるが、移動しているのは疎密の模様であり、空気自体はその場付近で振動しているだけである。この「粒は行き来、模様は前進」という二重の視点が、音波の本質をつかむ近道となる。[8][1][3] [1] https://splab.net/apd/a410/
[2] https://www.lab.kobe-u.ac.jp/eng-arch-en1/intro-acoust/acoustics2.html [3] https://www.nhk.or.jp/kokokoza/butsurikiso/contents/resume/resume_0000011426.html [4] https://www.yukimura-physics.com/entry/wave-f08 [5] https://www2.nhk.or.jp/kokokoza/watch/?das_id=D0022150285_00000 [6] https://juken-philo.com/tatewaveyokowave/ [7] https://www.try-it.jp/chapters-8414/sections-8428/lessons-8429/ [8] https://www.nhk.or.jp/kokokoza/butsurikiso/assets/memo/memo_0000011427.pdf [9] http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/p/wave/onnpa/onnpa [10] https://bo-onroom.com/glossary/longitudinal-wave-and-transverse-wave-guide/ [11] https://contest.japias.jp/tqj19/190120/page6.html [12] https://www.youtube.com/watch?v=1K6QpWIa_bg [13] https://novotest.biz/basics-of-acoustics-1-4-types-of-waves-and-laws-of-propagation-of-acoustic-waves-acoustic-field/ [14] https://www.riise.hiroshima-u.ac.jp/wiki/ePhysics/wiki.cgi?page=%EF%BF%BD%EF%BF%BD%EF%BF%BD%EF%BF%BD%EF%BF%BD%EF%BF%BD%EF%BF%BD&file=wave.html&action=ATTACH [15] https://patents.google.com/patent/WO2013047433A1/ko [16] https://bo-onroom.com/glossary/understanding-longitudinal-waves/ [17] https://core.ac.uk/download/pdf/159405181.pdf [18] https://note.com/minimalorder/n/ne981e6b6bc23 [19] https://hr-inoue.net/zscience/topics/sound/sound.html [20] https://cir.nii.ac.jp/crid/1362544419912194048.rdf※本ページは、AIの活用や研究に関連する原理・機器・デバイスについて学ぶために、個人的に整理・記述しているものです。内容には誤りや見落としが含まれている可能性もありますので、もしお気づきの点やご助言等ございましたら、ご連絡いただけますと幸いです。
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