音
20 °Cの空気中で音は一秒間に約343メートル進みます。稲光の3秒後に雷鳴が聞こえたら、落雷地点は約1 km先です。
空気中を伝わる圧力の波
太鼓の膜が外側へ動くと、隣の空気を押し縮めます。膜が戻ると、圧力が少し低い領域が残ります。この圧縮と膨張が分子から分子へ伝わり、縦波になります。耳の近くの空気が太鼓から飛んでくるわけではありません。圧力の変化が先へ進む一方、空気はごくわずかに往復しています。OpenStaxによると、人が聞き取れる最も小さな音では、空気分子の往復する距離は分子一個の直径よりも小さくなります。
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音はどれくらい速い？
花火を見ると、音が届くまで時間がかかることがわかります。まず光り、あとから音が聞こえます。OpenStaxは空気中の音速を、0 °Cでは331 m/s、20 °Cでは343 m/sとしています。海面付近の空気では、v = 331 m/s × √(T / 273 K)と表せます。Tはケルビンで表した温度です。温かい空気では分子の動きが速く、押す作用をより速く伝えますが、変化は緩やかです。0 °Cから20 °Cに上がっても、速さの増加は4%未満です。343 m/sから、便利な目安が得られます。音が1キロメートル進むのに約3秒かかるので、稲光から雷鳴までの秒数を数えると距離がわかります。
液体や固体は空気よりはるかに縮みにくいため、音が速く伝わります。音速は物質の硬さと密度によって決まります。硬いほど速く、硬さが同程度なら軽い物質ほど速くなります。OpenStaxにはさまざまな物質の値が載っています。ゴムは非常に柔らかいため、例外的に音の伝わり方が遅い物質です。
| 媒質 | 音速（m/s） |
|---|---|
| 空気、0 °C | 331 |
| 空気、20 °C | 343 |
| ヘリウム、0 °C | 965 |
| 淡水、20 °C | 1480 |
| 海水、20 °C | 1540 |
| 鋼 | 5960 |
| 加硫ゴム | 54 |
音の高さ・可聴範囲・反響
音の振動数は、音の高さとして感じられます。聴力が良好な人は、通常、約20 Hzから20 000 Hzまでの音を聞けます。この範囲より上の音は超音波、下の音は超低周波音と呼ばれます。可聴範囲では、音速は振動数にほとんど左右されません。OpenStaxはマーチングバンドを例に説明しています。高い音が低い音より速く進むなら、遠くの聴き手には演奏がずれて届くはずですが、実際にはそうなりません。
音は硬い面で反射し、戻ってきた音が反響、つまりこだまになります。崖に向かって手をたたき、2秒後にこだまが聞こえたら、音は崖まで往復しています。崖までの距離は343 × 2 ÷ 2 ≈ 343 mです。コウモリは反響で昆虫を探し、医療の超音波検査は体内から返る非常に振動数の高い音を利用します。聞こえる音の波長は数センチメートルから何メートルにも及ぶので、音は出入口や角を回り込むこともできます。隣の部屋の人が見えなくても声が聞こえるのは、このためです。
音の大きさとデシベル
音の大きさは波の強さと関係しています。強さとは、面積一平方メートルを通る波の仕事率です。耳が感じ取れる範囲は非常に広く、1000 Hzで聞こえる最も弱い音の強さは約10⁻¹² W/m²です。数秒で聴力を損なう音は、その約10¹²倍にもなります。扱いやすい数にするため、デシベル尺度を使います。β = 10 log₁₀(I / I₀)、基準値はI₀ = 10⁻¹² W/m²です。強さが10倍になるごとに10 dB増え、2倍になると約3 dB増えます。OpenStaxでは、普通の会話を約60 dB、大音量のロックコンサートを、痛みを感じる境界にあたる約120 dBとしています。脚注には、耳の保護具なしで一日に8時間さらされる場合、85 dBを超えないよう推奨する政府機関や保健機関が複数あると記されています。
- v = 331 m/s × √(T/273 K)を使って、30 °C（303 K）の音速を小数第1位まで求めてください。
- 稲光の6.0 s後に雷鳴が聞こえました。音速を343 m/sとして、落雷地点までの距離をkmで、小数第2位まで求めてください。
- 崖に向かって手をたたくと、2.0 s後にこだまが聞こえました。音速が343 m/sのとき、崖までの距離はいくらですか？
- 音が最も速く伝わるのは、次のどれですか？
- 鋼
- 淡水
- 20 °Cの空気
- ヘリウム
- 宇宙飛行士が何もない宇宙空間で叫んでも、互いの声が聞こえないのはなぜですか？
- 音が伝わるには媒質が必要だから
- 宇宙では音が速すぎるから
- 宇宙は寒すぎて音が伝わらないから
- 声が高すぎるから
- 90 dBの音の強さは、60 dBの音の何倍ですか？
- 1000倍
- 30倍
- 3倍
- 1.5倍
- 同じスピーカー二つが同じ音を出して、音の強さが2倍になりました。音のレベルはおよそどれだけ増えますか？
- 3 dB
- 10 dB
- 2 dB
- 20 dB
- 20 °C（343 m/s）で、人に聞こえる最低の音20 Hzの波長はいくらですか？小数第1位まで求めてください。
- 音のどの性質が、音の高さとして聞こえますか？
- 振動数
- 振幅
- 速さ
- 温度
- 空気中を音が伝わるとき、空気分子はどのように動きますか？
- 波の進行方向に沿って往復します
- 音源から耳まで飛んできます
- 波の進行方向に垂直に上下します
- 完全に静止しています
- 音は圧力の変化が伝わる縦波で、媒質を必要とします。
- 空気中では0 °Cで331 m/s、20 °Cで343 m/sです。v = 331 √(T/273 K)と表せます。
- 液体や固体ではより速く、水では1480 m/s、鋼では5960 m/sです。
- 可聴範囲は約20 Hz〜20 000 Hzです。+10 dBで強さは10倍、+3 dBで約2倍になります。
このコースの出典 (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
確認日: 2026-10-17