音の発生とパルス
テーブルの表面を指で軽く叩くと音がします。
しかし、テーブルの表面に指を５秒、１０秒押し付けていても、
音はしません。
指で一瞬、テーブル表面を叩くと、テーブル表面は振動します。
指の力は小さいですが、音が発生するのには十分な力になります。
また、テーブル表面の振動は小さく、
振幅は１ｍｍより遥かに小さいですが、
音を発生させるのには十分な振幅になります。
そして、テーブル表面の振動が空気を振動させて、
音として聞こえるのです。
同じ現象を難しく書くと、
空気を媒質とする音響波が発生したということになります。
音という日常用語の代わりに、
空気を媒質とする音響波という物理の専門用語を使っています。
一方、テーブルの表面を指で５秒、１０秒、押し付けていても、
テーブル表面は振動しません。
したがって、空気も振動せず、音が発生しないのです。
同様にギターの弦を指で弾くと音がします。
しかし、ギターの弦を指で押さえていて、
指を弦から離さないと音はしません。
ギターの弦から指を離すことにより、ギターの弦が振動して、
この振動が空気を振動させるので、音として聞こえます。
ギターの弦を指で押さえているだけでは、弦が振動することができず、
空気も振動しません。即ち、音が発生しないのです。
テーブルの表面を指で叩くというのは、
物理的にはどのようなことになるでしょうか？
テーブルの表面に一瞬、力をかけているのですが、
力をかけている時間は1秒より遥かに短くなります。
ここでは仮に０．１秒、ちからをかけていると仮定します。
１秒より短い時間ということは、別個の表現をすると、
パルスということになります。
即ち、テーブルにパルスで力を加えたことになります。
指でテーブルを叩くとき、テーブルに加える力は一定でなく、
最初は弱く、次第に強くなっていくのかもしれませんが、
ここでは説明の便宜上、
一定の力ということにしておきます。
同様にギターの弦を指で弾くのも、
ギターの弦に力をパルスで加えたことになります。
また、１０秒間に渡って指でテーブルを押しているとき、
１０秒間、テーブルに力がかかっていることになります。
パルスで力を加えたときに媒質が振動して、音響波が発生する一方、
連続的に力を加えてときに媒質が振動せず、音響波が発生しないのです。
さて、電子レンジの内部でマイクロ波が水を加熱するのは
日常的に経験しています。
ここでは、連続波のマイクロ波でなく、
パルス照射中、加熱により水が熱膨張しますが、
熱膨張ということは周囲に力を加えていることになります。
マイクロ波パルスで水を加熱すると、
水を媒質とする音響波が発生します。
同様にマイクロ波パルスで頭部を加熱すると、
頭部を媒質とする音響波が発生します。
頭部は多数の細胞から構成されていますが、
細胞の内部は大部分が水になります。
厳密にいうと、水ではなく、細胞内液ということになり、
カリウムイオンなどの電解質が含まれています。
また、細胞と細胞の間に細胞外液があります。
細胞外液と細胞内液は、ナトリウムイオン、
カリウムイオンなどの電解質の濃度が異なります。
マイクロ波パルスの加熱により音響波が発生するというのは、
水も頭部も同様になります。
細胞内液、細胞外液は水と異なって、
ナトリウムイオン、カリウムイオンなどの電解質が含まれていますが、
加熱に伴って、音響波が発生するという点については、
電解質はほとんど影響がありません。
参考文献
“Microwave Hearing: Evidence for
Thermoacoustic Auditory Stimulation by PulsedMicrowave”
Science, 19 July, 1974, Vol. 185, No.4147,pp. 256-258.
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