「私はあなたの壁を壊す者です！」空気と水: ...

空気と水の間に「壁」があることをご存知ですか？

海岸で魚の鳴き声を聞いたことがあるか考えてみてください。 （疑わないでください、魚は本当に音を出すことができます）

また、シンクロナイズドスイミングの競技では、水上と水中の両方に音響設備があることをご存知ですか?

画像出典: veer gallery

この経験は、空中と水中で音の世界を共有することは難しいということを教えてくれるようです。音は空気と水の接合部で「鉄の壁」にぶつかるようです。これはなぜでしょうか?この「壁」をどうやって破ればいいのでしょうか？

音のエネルギー強度は、水と空気の界面を通過すると 1000 分の 1 に減少します。

これは、さまざまな媒体における音の伝播特性から始まります。

ご存知のように、音波は機械波の一種であり、音波の伝播は媒体内の機械的振動の伝達に依存します。音響振動の伝達能力は媒体によって異なり、この伝達能力の違いは媒体の音響インピーダンスによって反映されます。

媒体の音響インピーダンスは、媒体の密度（単位：kg/m3）と音速（単位：m/s）の積によって特徴付けられます。異なる媒体間の音響インピーダンスの差をインピーダンス不整合と呼びます。 2 つの媒体間の音響インピーダンスの差が大きいほど、2 つの媒体内での音波の伝播能力の差も大きくなります。

したがって、音波が 2 つの媒体の界面に入射する場合、2 つの媒体間の音響インピーダンスの差が大きいほど、界面で音波によって伝達されるエネルギーは低くなります。音響エネルギー伝達係数と 2 つの媒体の音響インピーダンスの関係は次のように表すことができます。

ここで、R1 と R2 はそれぞれ 2 つの媒体の音響インピーダンスです。

水と空気の界面を通過する前と通過した後では、音エネルギーの強度は1000分の1に減少します（画像出典：著者による描画）

水と空気の場合、室温では空気の音響インピーダンスは 415 kg/m2·s ですが、水の音響インピーダンスは 1480000 kg/m2·s です。両者の音響インピーダンスの差は約3600倍です。したがって、音波が水と空気の界面に入射すると、音エネルギーのわずか 0.1% だけが水と空気の界面を通過できます。つまり、音エネルギーの強度は、水と空気の界面を通過する前と通過した後で 1000 倍弱まります。水と空気の間の音の伝達が極めて低いため、水中に飛び込むシンクロナイズドスイミングの選手が岸辺で演奏されている音楽を聞き取るのは困難です。そのため、シンクロナイズドスイミングの競技では、音響機器を水上と水中の両方に配置する必要があります。

この装置があれば、水と空気の音の伝達はもう夢ではありません〜

水と空気の間で音の媒体間伝達を実現するにはどうすればよいでしょうか?

水と空気の界面における音の伝達が低いのは、水と空気のインピーダンスの差が大きいためなので、このインピーダンスの差を埋めるためには、水と空気の間に音響インピーダンスの「ブリッジ」を構築する必要があります (下の図の緑の曲線で示すように)。

模式図（画像出典：筆者作成）

この「ブリッジ」により、図の黄色の信号で示されるように、音は緩やかなインピーダンス勾配に沿って水と空気の間を「流れる」ことができます。

とても簡単そうに聞こえませんか？そうは言っても、水から空気までの音響インピーダンス範囲をカバーする材料を自然界で見つけるのは現時点では困難であるため、これを実現するのはそれほど簡単ではありません。空気背景媒体または水背景媒体に基づく既存のメタマテリアルは、このような大きなインピーダンス差に対処することができません。そのため、これまでの水-空気音伝達に関する研究は、主に共鳴に基づく狭帯域音伝達に焦点を当てており、水-空気音伝達の応用展望は大きく制限されていました。

最近、中国科学院音響研究所の楊軍氏のチームは、水中中空構成音響メタマテリアルを革新的に提案しました。これは、空気成分とユニット形状を新たな調整自由度として導入し、水中音響メタマテリアルの音響パラメータの達成可能範囲を大幅に拡大しました。さらに、周期的に配置された四角柱で構成された音響メタマテリアルを空気中に組み合わせ、水から空気への音響インピーダンスギャップを埋めることに成功し、水と空気の勾配音響インピーダンス整合層を設計し、水から空気への広帯域音響エネルギー伝送を実現しました。関連する研究結果は応用物理学のジャーナル「Applied Physics Letter」に掲載され、Scilight Weekly で独占的に報道されました。

水中中空音響メタマテリアル（画像出典：参考文献1）

では、このマッチングレイヤーはどのような効果を達成できるのでしょうか?研究者たちは記事の中で例を示した。例で設計された水-空気勾配音響インピーダンス整合層の実験テスト結果では、880 Hz ～ 1760 Hz の範囲で平均 16.7 デシベル、最大 25.5 デシベルの伝達音エネルギー増強を達成できます。 25.5デシベルのレベルはどのくらいですか?これは、この一致するレイヤーをインストールすることと同じです。マッチング層がない場合に比べて、伝達される音エネルギーは 350 倍に増強されます。壁は見事に「壊された」と言えるでしょう！

水と空気の「壁を壊す」効果は想像以上に大きい

写真の円形部分は、水と空気の音の伝達を可能にするメタマテリアルを表しています（画像提供：中国科学院音響研究所）

なぜ、水と空気の音の伝達を実現できるこの素材を開発する必要があるのでしょうか?

水中から空気への音の伝達が実現できれば、水中に潜ったシンクロナイズドスイミングの選手が空中で演奏される音楽を聴くことができるようになるだけでなく、海洋探査など、より幅広い応用シナリオでも役立つ可能性があります。

既存の海洋探査は主にソナーを利用して海中をスキャン、探知し、収集した情報を母船に送信しています。検出方法や伝達経路が複雑であり、情報検出サイクルが長い。水空音伝送が実現できれば、空中音響センサーシステムを直接利用して水中世界を探知することができ、探知サイクルを大幅に短縮し、探知と情報伝送のプロセスを合理化し、海洋探知の効率を向上させることができます。

海洋探査方法に革新をもたらすことに加え、水と空気の間の効率的な音の伝達を実現することは、海洋騒音公害を軽減する上でも重要な役割を果たします。

ハワイ大学とオーストラリアのカーティン大学の共同研究によると、海洋採掘における機雷1基からの騒音は約500キロメートルも伝わり、その範囲内の海洋生物の感覚器官に深刻な損傷を与えるのに十分だという。海洋の石油・ガス探査で使用される探査用エアガンから発生する音は 200 デシベルを超えます。これらの騒音は、水と空気の境界面と海底の間で絶えず反射され、海中で数千キロメートルにわたって広がります。エアガンを一発撃つと、動物プランクトンの死亡率が40%～60%にも達する可能性があります。

将来、採掘船や帆船に水と空気の音を透過する装置を効果的に組み込むことができれば、水と空気の境界面に海洋騒音の出口が開き、海中では減衰しにくい騒音を空気中に透過させて拡散・減衰させ、海洋生物に安らぎの住処を提供することができるでしょう。

参考文献:

[1] Ping Zhou、Han Jia、Yafeng Bi、Yunhan Yang、Yuzhen Yang、Peng Zhang、Jun Yang。広帯域インピーダンス整合に基づく水-空気音響通信。応用物理学レター、123、191701（2023）。

著者: 周平

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