2. 音データの基礎知識
2.2 周波数（Hz）の意味と人間の可聴範囲
周波数とは、ある現象が1秒間に何回くり返されるかを表す量で、単位はヘルツ（Hz）という。波の世界では「1秒に何回振動が起きたか」を数えたものが周波数で、数が多いほど高い音、数が少ないほど低い音として感じられる。たとえば、1秒に440回の振動が耳に届けば、それは音楽でよく使われる基準音A（ラ）の高さに相当する。周波数の定義は、一般的な波の性質として「1秒あたりの繰り返し回数」として説明されることが多い。[1][2][3]
音の高さ（ピッチ）はこの周波数と対応しており、低い周波数は太く低い音、高い周波数は細く高い音に聞こえる。ドラムの低い響きは周波数が少ない（低い）例で、口笛の鋭い高音は周波数が多い（高い）例にあたる。国立公園局の解説でも、周波数は音圧波が1秒に何回くり返されるかで決まり、低い周波数ほど振動回数が少なく、高い周波数ほど回数が多い、とわかりやすく説明されている。[4]
人間が通常聞き取れる周波数の範囲（可聴範囲）は、おおよそ20Hzから20,000Hz（20kHz）までとされている。これは多くの基礎資料やレビューで一致しており、神経科学の教科書的解説でも、ヒトの聴覚は約20Hzから20kHzまでの周波数に応答できると整理されている。ただし、この範囲は個人差や年齢で変化する。年を重ねるにつれて高い周波数に対する感度が下がり、成人では上限が15,000〜17,000Hz程度まで低下していることも珍しくないと聴覚の実務解説は述べている。乳児は成人より高い周波数まで聞こえる例があり、一部では2万Hzを少し超える音を感じ取れるが、成長とともに上限は低下していく傾向が報告されている。[5][6][7][8][9][4]
可聴範囲の両端を超える音には名称がある。20Hzより低い周波数は「可聴下（インフラサウンド、超低周波）」、20kHzより高い周波数は「超音波（ウルトラサウンド）」と呼ばれる。インフラサウンドは人にはほとんど聞こえないが、ゾウの遠距離コミュニケーションなど自然界では利用され、超音波はコウモリや一部の機器で用いられている、と基礎的な整理がある。定義としては、インフラサウンドは概ね20Hz未満、超音波は概ね20kHz超とするのが標準的な区分である。[10][11][12][4]
「聞こえる・聞こえない」は単に周波数だけではなく、音の大きさ（音圧、dB）にも左右される。同じ高い周波数でも、音が十分に大きければ一部の人は知覚できることがあり、21.5kHzの純音を高い音圧で提示すると被験者全員が検出できた、という実験的結果も報告されている（ただし非常に大きな音圧が必要で個人差も大きい）。一般向けの解説でも、人の聴覚は0dBから120〜130dB程度の範囲で音圧に応答し、周波数の上限は年齢や騒音曝露で個人差が広がることが強調されている。このように、可聴範囲は「周波数（Hz）」と「音圧レベル（dB）」の組み合わせで決まる領域として理解すると実態に近い。[6][7][13][9][4]
周波数と可聴範囲を直感的にとらえるための比較も役立つ。可聴範囲の下限20Hz付近は、耳で聞くというより体で振動を「感じる」ことが多い領域で、サブベースと呼ばれる超低域がここに含まれる。いっぽう上限20kHz付近は、若い年齢でも音圧が足りないと聞こえにくく、成人では15〜17kHzくらいで上限に近づくことが多いとされる。20Hzから20kHzまでを音楽的に見ると約10オクターブ分の幅があり（20Hz×2×2×…を10回で約20kHz）、人間の聴覚は広い周波数に対応する仕組みを持つことがわかる。[7][8][9][14][6][4]
また、人間にとって特に感度が高い周波数帯も知られている。一般的に1〜3kHz付近は聴覚が敏感に反応しやすく、ことばの子音や多くの自然音の重要成分が含まれるため、わずかな音圧でも聞き取りやすい傾向があるという聴覚解説がある。この性質は、騒音対策やオーディオ設計、マスキング効果の理解に役立つ。[9][7]
周波数の意味を波としてもう少し丁寧に見よう。周波数f（Hz）は「1秒間に通過する波の回数」であり、時間T（秒）とf=1/Tの関係がある。波の速さv（例えば空気中の音速）と波長λ（波の長さ）にはv=f×λの関係が成り立つ。たとえば、空気中の音速を約340m/sとすると、20Hzの音の波長は約17m（340÷20）、2kHzでは約0.17m、20kHzでは約0.017mになる。このように、周波数が高いほど波長は短くなるため、物体の形状や空間の影響（反射・回折・遮蔽）も周波数によって受け方が変わる。学校向けの波の基礎解説では、周波数は「一定時間あたりの波の数」でHz、という定義が繰り返し用いられている。[15][2][1]
可聴範囲の外の音でも、科学や工学では重要な役割を持つ。超音波は医療の診断などで1MHz以上の高い周波数が一般的に用いられ、体内の様子を画像化するなどの応用がある。インフラサウンドは遠距離伝搬性が高く、自然現象や大規模設備由来の低周波の評価に使われる。いずれも人が普通の音として聞くわけではないが、「周波数」という共通のものさしで連続的に扱われる点が重要である。[11][12][10]
最後に、人の可聴範囲は固定ではなく、「年齢」「騒音曝露」「個人差」により大きく変わることを押さえておきたい。若年では高周波の感度が高く、加齢とともに高域から低下しやすいという傾向が実務や研究で一貫して示されている。また、同じ周波数でも「何dBなら聞こえるか」は個人差が大きく、特に可聴上限に近い高周波では、非常に大きな音圧でないと検出できない場合が多いという実測もある。したがって、「20Hz〜20kHz」は標準的な目安であり、実際には「周波数×音圧×個人差」の組み合わせで聞こえ方が決まる、という理解が現実的である。[13][6][7][9][4] [1] https://study.com/learn/lesson/frequency-formula-unit-examples-wave.html
[2] https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z8rxsbk/revision/3 [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency [4] https://www.nps.gov/subjects/sound/understandingsound.htm [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Hearing_range [6] https://www.miracle-ear.com/blog-news/human-hearing-range [7] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10924/ [8] https://www.acousticalsurfaces.com/blog/acoustics-education/what-frequency-can-humans-hear/ [9] https://www.amplifon.com/uk/audiology-magazine/human-hearing-range [10] https://assets.publishing.service.gov.uk/media/5a7dfba8ed915d74e33ef48e/RCE-14_for_web_with_security.pdf [11] https://en.wikipedia.org/wiki/Infrasound [12] https://link.springer.com/article/10.1007/s11069-013-0827-3 [13] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9747049/ [14] https://www.musical-u.com/learn/how-many-octaves-are-there-from-20hz-20khz/ [15] https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/frequency-sound [16] https://hearinghope.in/blog/human-hearing-range/ [17] https://www.youtube.com/watch?v=PAsMlDptjx8 [18] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0003682X22003553 [19] https://www.hearingpartners.com.sg/human-hearing-range-frequency/ [20] https://www.doubtnut.com/qna/26770588※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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