超音速で音を聞く

質問

1. ある音の発信源に向かって超音速で接近した場合、その音はどのように聞こえるのでしょう？接近に伴う障害（例えばコンコルドに乗っている際の防音壁やジェット音など）はないとします。
2. また逆に、ある音の発信源から超音速で遠ざかる場合、その音はどのように聞こえるのでしょう？リバースしたように聞こえるのでしょうか？
それぞれ、A. 超音速移動開始前から音が発信された場合、B. 超音速移動開始後に音が発信された場合で異なると予測されますが、どうなのでしょうか？
いずれの場合も音の減衰が限りなく少ないという仮定でお願いします。（そもそも音の減衰と空気（媒体）抵抗に関連があるとしたら、その限界はどうなるのでしょうか？）

回答No.5

noname#96418 · ベストアンサー

物体が空気中を超音速で移動すると衝撃波が立ちます。しかし、その効果を議論することは質問の趣旨ではないと思いますので、媒質に何の影響も与えない、仮想的な観測者に音がどう聞こえるはずであるかを考えましょう。

音は空気の微小振動であり、観測される音の振動数とは、観測者が単位時間に観測する音波の「山」の数です。音源での振動数を fo、音速を c、伝播する音波の山と移動する観測者の相対速度の大きさ を Δv とすると、音源が静止しており、かつ風がない場合に観測される音の振動数 f は、次のようなドップラー効果の式で与えられます：
f = fo Δv / c 。

（１）観測者が「速さ」 v で音源に近づく場合には、Δv = c + v で、＃２さんの結果と同じです。

（２）観測者が「速さ」 v で音源から遠ざかる場合には、Δv = |c - v| です。ここで、|a| は a の絶対値です。超音速で遠ざかる場合には、Δv = v - c です。質問者さんは、その場合に

>リバースしたように聞こえるのでしょうか？

と書かれていますが、たしかに音源から出た時と逆の順番で音が聞こえるでしょう。

もちろん、以上は観測者が音波の伝播領域の内部にいる場合です。音波が存在しない領域では聞こえようがありません。また、上に書いたような、仮想的な観測者を考えていることを強調しておきます。

お礼

回答いただきありがとうございます。
そもそも矛盾する話なのですが、音波の受信器の空気抵抗がないと仮定すると、理屈としてはこうなるような気がしました。

回答No.10

htms42

＃９です。
ふと気がついたことを補足で書かせていただきます。
私もなんとなく「音速」で運動するとか、「超音速」で運動するとかを言葉だけで受け止めていました。
「音速で運動する」をまるで宇宙空間での運動のようなイメージで考えていた事になります。
「どう聞こえるか」で空気中の運動に引き戻されてしまったのです。
空気を押しのけながら音速で進むというのがどういうことかというイメージが希薄だったと思います。
これを単に「空気抵抗」と言っても言葉だけのことになっている可能性があります。これだとどうしても空気中でボールを投げた時の抵抗に近いもののイメージになります。

走行中の新幹線の列車の窓から顔を出したらどうなるでしょう。これが時速２００ｋｍで運動している時に空気を押しのけているということです。音速はほぼ時速１０００ｋｍですからにさらにすごい事になっています。風が吹いているのではありません。空気を無理に押しのけているのです。押しのけようとした空気が動かなくなって周囲にたまってしまえば押しのけるのが難しくなります。そこにどこか遠くから小さな空気の振動が伝わってくるという事情を考えても意味を持ちません。

人では危険ですからやりませんが列車の先端では同じことが起こっています。外にマイクを貼り付ければマイクの上で同じことが起こります。

これは静止している空気と動いている物体との関係です。
列車の近くの狭い範囲以外の場所では関係のないことです。普通に音が伝わります。列車が通ることによって列車が新たな波源になる音を受け取る立場にはなるでしょう。

列車の中では空気が列車と一緒に動いているのですから運動の影響はありません。

波について考える時に、イメージを取るために水面上を伝わる波を例にとる場合が多いです。船の速さは簡単に波の伝わる速さを越えることが出来ます。でも、音の場合とは事情が違うということを意識している必要がありそうです。波の伝わり方を媒質の外から観察することが可能です。運動も媒質の中とは言い切れません。境界です。音の場合は媒質の外から観察するというのが不可能です。

潜水艦であれば完全に媒質の内部の運動です。この場合は表面波は存在しませんので水中を伝わる波は音になってしまいます。空気中と同じです。

回答No.9

htms42

＃２、＃４です。
私はドップラー効果の考えに基づいて答えました。
これはどう聞こえるかとは少し違っています。
＃５様が書いておられるような仮想的な観測者ということになります。水の波の場合で言うと波を受け取るだけで波を作ることのない観測者です。ボートではダメです。水面すれすれの高さで飛ぶ飛行物体で観測するというようなことを考えないといけません。

どう聞こえるかは耳に空気振動がどう伝わるかですから観測者は空気中に存在しています。人が動けば空気を押しのける運動が起こっているはずです。ひとが音速で動けば人は空気を音速で押しのけます。空気の波の伝わる速さと同じですから波になって広がって離れて行くということがありません。全部が重なってきます。これは衝撃波が生じているときの事情と同じです。ボートで言うと舳先の作る三角の波です。周りにどういう波があるかはほとんど関係がなくなってしまいます。
＃５で衝撃波のことが書かれています。どう聞こえるかを問題にする時には衝撃波を抜きにして議論することは無意味になってきます。
空気に対する運動が問題になるのですから音源に対して近づいているか遠ざかっているかは関係がない事になります。
＃１のご回答はそのことを言っているのだろうと思います。でも残念なことにただ「聞こえない」というだけの文章です。何の参考にもなりません。

お礼

様々な側面から回答いただきありがとうございます。
理論と観測では異なることがよくわかりました。
そもそも人間の耳で観測するとしたら伝達媒体の抵抗は無視できませんね。というか、「音速」と出た時点で空気中での話になってしまうわけで、難しい質問になってしまいました。

回答No.8

noname#77472

無い。
ナッシングの定義はどうでしょう？

とても論文を書く専門家様と判断出来ません。

音波は存在しないでしょうが、正面からの連続音波（空気の振動波）
を直接抵抗（エネルギー）として受ける事になります。

聞こえないのと、エネルギーが消滅するのとでは
意味がまるで違います。

空気の振動波と言うエネルギーが０になる理由を明記しない限り
＃２様は納得しないと思いますし、明らかに論理的ではありません。

これは、
超音波であればナッシングでしょうか？
１０Ｈｚ/１ｋｗ音源の場合はどうでしょう？
ツングース事故のような衝撃波/空気膨張を伴う場合も無視して良いでしょうか？

お礼

回答いただきありがとうございます。
超音波という言葉で気づきましたが、音が聞こえないというのは可聴周波数帯を外れているという意味なわけですね。うっかりしていました。

回答No.7

ufon

補足質問に対する回答は次のとおりです。
自分が超音速の場にいるということは、周囲に音波のない世界にいることです。従ってドップラー効果のようなものはありません。

回答No.6

ufon

補足質問に対する回答は次のとおりです。
自分が超音速の場にいるということは、音波のない世界にいることです。従ってドップラー効果のようなものはありません。

回答No.4

htms42

広い水面があったとします。大きな船が通って波ができました。
モーターボートでこの波をつッ切って行きます。ボートの進む向きが波の進む向きと反対だとします。ボートのスピードを上げると同じ時間に出会う波の数は増えて生きます。
この出会う波の数の増加はドップラー効果で考えているものと同じです。
モーターボートの速さｖが波の伝わる速さＶを越えたとしたらどうなるでしょう。ｖ＝Ｖのところで不連続な現象が起こるとは思えません。

波の伝わる速さよりも速くボートが遠ざかればボートは波とは出会いません。（これは波の最初の波面が届くよりも先にボートが運動し始めている場合です。既に伝わっている波の上をボートが波の伝わる速さよりも速く波の進行方向に進んでいれば追い越しながら波面を受け取る事になります。）

音の場合とこの水の波の場合と、違うとしたらどこに違いがあるのでしょうか。

補足

回答いただき、ありがとうございます。

>既に伝わっている波の上をボートが波の伝わる速さよりも速く波の進行方向に進んでいれば追い越しながら波面を受け取る事になります。

これです。追い越しながら波面を受け取る、この現象は音の場合どう観測されるのでしょう？

回答No.3

ufon

超音速ですから、自分の乗っているものと違う音源から出る音は、近づこうと離れようと聞えません。自分及び自分の乗っているもののところには音波が届かないからです。
　聞えるのは自分の乗っているものの内部にでる音だけです。自分の乗っているものが外部に出す音は聞えません。
　超音速開始される前には他の音源からの音があれば、それは聞えますが、超音速になったあとは自分の音以外は聞えません。

補足

回答いただき、ありがとうございます。

では、一定の波形の音を無限の遠方まで継続して永久に発信し続ける音源に、観測者自身が乗り物などに乗らず超音速で近づき、通過し、遠ざかるとき、どのように観測されるのでしょうか？音源からの音波で満たされた空間では、超音速でも音波の干渉を受けると思うのですが、いかがなものでしょうか？（音速で音源から遠ざかる場合は音波が観測されないというのは想像ができるのですが・・・）

回答No.2

htms42

観測者が音源に対して運動している場合に振動数が変化する現象はドップラー効果と呼ばれています。
近づく場合は振動数が高くなります。遠ざかる場合は逆になります。
ｆ＝ｆｏ(Ｖ＋ｖ)／Ｖ　　Ｖ：音速、ｖ：観測者の速さ（近づく場合が正）
です。ご存知のことだと思います。

問題はこの式が　ｖ＞Ｖ　、または　ｖ＜－Ｖ　で使うことが出来るかということです。そのためにはこの式を出した時の考え方に戻って考える必要があるでしょう。

ｖ＞Ｖの時、そのまま使うことが出来ると思います。ｖ＝Ｖの時、ｆ＝２ｆｏです。

ｖ＜－Ｖの時、音の波がやってくるよりも速く観測者が遠ざかるのですから音波は観測されないでしょう。

補足

回答いただき、ありがとうございます。

少々腑に落ちない点がありますので、質問を少し変えてみます。

一定の波形の音を無限の遠方まで継続して永久に発信し続ける音源があるとして、その音源に超音速で近づき、通過し、遠ざかるとき、どのように観測されるのでしょうか？音源からの音波で満たされた空間では、超音速でも音波の干渉を受けると思うのですが、いかがなものでしょうか？（音速で音源から遠ざかる場合は音波が観測されないというのは想像ができるのですが・・・）

回答No.1

ddg67

１．何も聞こえない
２．何も聞こえない