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正弦波とハムノイズ、ハムノイズと重力

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『ヤマハと音叉』の記事で音叉について見ていきました。音叉Wikipediaに「音叉とは正弦波を描く特定の周波数の音」と書かれていたように、今回は「正弦波」について調べていきます。

正弦波とは

正弦波（せいげんは、sine wave、sinusoidal wave）は、正弦関数として観測可能な周期的変化を示す波動のことである。その波形は正弦曲線（せいげんきょくせん、sine curve）もしくはシヌソイド (Sinusoid) と呼ばれ、数学、信号処理、電気工学およびその他の分野において重要な働きをする。

自然現象における正弦波
上記の通り、正弦波は単一の周波数成分のみを持つ波動であり、厳密な意味では自然界には存在しない。しかし、一般の物理学や電磁気学、音響学などでは、観測されるべき波動（すなわち上記の基本形・一般形で表される波動）の振幅が、付随される雑音に比べて十分に大きい場合、これを正弦波と見なすことが多い。 この広義の意味での正弦波は自然界でも海の波、音波、光波などで発生する。また、日々の平均気温を年間を通してプロットした際などにも荒いシヌソイドパターンが現れる。
商用電源など発電機から得られる交流電圧の波形は一般に正弦波形をとる。

音波としての正弦波
人の耳は単一の正弦波を認識することが出来る。なぜなら、そのような波形を持つ音は人には純粋な音高の音としてはっきりと聞こえるからである。純粋な正弦波に近い音には、口笛や、ぬれた指先でクリスタルグラスの縁をなぞって振動させる際に発生する音、そして音叉の音がある。このように正弦波として聞こえる音は純音と呼ばれる。
音波が2つ以上の正弦波によって構成される場合、その中で最も周波数が低い正弦波を基準として、その他の正弦波の周波数が基準となる正弦波の周波数の整数倍で構成されるときは、その音波の波形は周期的な交流波形となる。この音は、人の耳には楽音または単音として認識される。 それ以外の2つ以上の正弦波によって構成される音はノイズか和音、ないしはうなりとして聞こえる。
引用

純音の説明にもあったように、正弦波は単一の周波数成分のみを持つ波動であり、厳密な意味では自然界には存在しないと書かれています。
広義の意味での正弦波は自然界でも海の波、音波、光波などで発生するとのことです。音叉もそのひとつになります。
下記に続きの内容を引用します。

鉄道車両への塗装
東京メトロが旧帝都高速度交通営団（営団地下鉄）時代より運行する丸ノ内線では、1954年の開業時より同線で営業運転を行っている300形電車の側面帯に、ステンレス製の正弦波状の曲線（サインウェーブ）が配されていた。これはその後増備された400形・500形・900形にも受け継がれて親しまれていたが、後継の02系電車では廃止され、これら旧型車両が1996年に運行を終了したことから、一旦丸ノ内線からサインウェーブ入り車両は消滅した。
しかし、多くの利用者から「丸ノ内線のシンボルだったのに」とサインウェーブの消滅を惜しむ声が寄せられことを踏まえ、02系のうち2009年度から大規模改修工事が施工された初期の19編成は、側面帯を白のサインウェーブ入りのものに変更し、再び丸ノ内線でサインウェーブ入り車両が復活した。02系の後継である2000系電車も、肩部にサインウェーブ入り側面帯を配している。

東京メトロでは、電車の側面帯にステンレス製の正弦波状の曲線（サインウェーブ）が配されていたという記述。音ではなく物理的に正弦波の形をした金属を配置したことになりますが、これも何らの効果を狙っているのかもしれません。
私の実家に残された木製プロペラの先端は金属のような何かで覆われています。その形を見ると正弦波ではないものの、波のような形をしています。木材の保護のためだけならばこの形にはしないように感じます。

ハムノイズとは

正弦波を調べていくと気になる記述を見つけました。

正弦波に近い倍音の少ないものを「ハム」と呼び、倍音を含んだものは「バズ(Buzz)」と呼ぶことがあります。
語源である「ハム(hum)」は、ミツバチや機械がブンブンと唸る音、鼻歌、ハミング等を意味します。
引用

機械から聞こえるブンブンとした低い低音などのハムノイズとは、正弦波に近い倍音の少ないものという記述です。
ハムノイズのWikipediaを調べてみました。

ハム音またはハムノイズ（単にハムとも）とは、電源周波数に準じた低い「ブーン」という雑音のこと。
一般に正弦波に近い倍音の少ないものをハムと称する。
倍音を含んだノイズはバズ（Buzz）と称する。
英単語のHumに由来し、ノイズ（雑音）とした場合には、主に2通りの意味がある。
機械類の動作に伴って聞こえる低周波の音。
ラジオやアンプスピーカーなど音を出すための機器から、音声に混じって聞こえる。本項で主に述べる。
語感から、スピーカーから出力された音がマイクロフォンに拾われ、無制限に拡大されて甲高い音となる現象と混同されることがあるが、それに関してはハウリングまたは発振回路の項を参照すること。
引用

私の住まいはヘリコプターが1日に何台も飛んでいます。ヘリが飛ぶ音は、ボボボボボボボ、ババババババ、といったような短くて低めな一定音が繰り返されます。プロペラが回っている音でしょうか。
ヘリコプターだけでなく、飛行機のエンジンをかけたときの音や飛んでいるときの音、車のエンジンの音など、確かにほぼ一定の音です。物によっては倍音を含むバズノイズであると考えられますが、どちらにせよ正弦波が関係しています。

ハチのブーンと飛ぶ音や、蚊のプーンという高音も一定音です。ハムの語源のひとつにミツバチの音とも書かれていたように、昆虫が飛ぶときの音は正弦波に近いものが多そうです。

音声録音時などに混ざるジー、ザザザといった低い音は一般的には「雑音」とされ、ハムノイズ除去や雑音除去といった方法がネットにも流れていますが、このハムノイズという雑音が重要なヒントになる気がします。
『ジェットエンジンの燃料問題など（Shuさんの考察）』の記事にも書いたように、Shuさんはハムノイズについても指摘していました。

ハムノイズと振動から考察

ハムノイズのことを調べていくと、ハムノイズの原因がパソコンからの振動だった、という面白い記述を見つけました。

マイクにキャノンプラグで接続すると、 「ブーン」というハムノイズが発生していました。

試しにマイクを手に持ってPCの近くに移動すると、 ハムノイズがないことに気づきました。

PCの振動が上にある机の天板にも伝わり、 今回の「ブーン」というハムノイズが発生していた模様。

マイクスタンドの下にプラスチックケースを敷いてみると、 「ブーン」というハムノイズが低減されました。

これで、「ブーン」というハムノイズの原因が、 振動であると確定しました。
引用

パソコンにもファンが入っており、本体の熱を下げる役目をしています。ファン、つまりプロペラです。ハムノイズはパソコンの振動が原因との記述ですが、ファンを回転させたことによる振動だと思います。マイクで拾わなくても、パソコンからブーンといった低い音を聞いたことのある人はいると思います。ファンが回転し、ハムノイズが発生(人間が聞こえない領域もある)すると、(気づかない程度に)パソコンが振動。

音とは「振動周波数」です。
ソプラノ歌手が高音の大きめな声でガラスのコップを割る映像を見たことのある人は多いと思います。
しかしパソコンはそれなりの重さがあり、マイクで拾わないと気づかないほどの低い小さな音(波の高さが低く、波もゆっくり)で本体を揺らす力があるでしょうか。
ここからは仮説ですが、ファンが回転することで音が発生し、ある周波数に達した時、物体が重力を受けにくい状態になるのではと考えています。
例えば正弦波の波の高い所(密度が高い)が無重力状態になると仮定するなら、物体が音のある周波数によって重力を感じる状態と無重力状態を小刻みに行き来し、そこにファンによる遠心力も加わり、人間が気づかない程の微振動の揺れが起こっていたのかもしれません。
上記は2次元での仮説なので、3次元で考えると波はくるくるとした「渦」です。渦の一部、下から上へ流れる時に物体が持ち上げられ、上から下へと流れる時に物体が重力を感じるようになり、それを繰り返すために小さな振動がパソコンに起きていたと考えることもできます。

パソコンでなくもう少し大きな対象、飛行機で考えてみます。飛び立つ前、飛行機のエンジンをかけると、エンジンの大きめな音とともに機体は小刻みに揺れているのが体感できると思います。
エンジンが回っているからその反動で機体が揺れているのかと思っていましたが、エンジンの低いハムノイズのような「音」も加味されて飛行機が小刻みに揺らされているのかもしれません。
ジェットエンジンの仕組みはタービンを回転させほぼ圧縮空気を使うため、プロペラ機とほぼ同様な仕組みであることを先ほどリンクを貼ったShuさんの考察の記事に書きました。パソコンの振動と同様に、飛行機もエンジン内の回転の遠心力による力だけでなく、発生した音によって機体が重力を感じにくい状態になり、重さ350トン以上ある機体が揺れているのかもしれません。正弦波に近い音かつ、ある周波数よって、飛行機自体が重力を感じにくくなるのでは…。
ちなみに重力は物理的に原理の説明はできていません。飛行機が飛ぶ真実を追求することは、重力の真実とも繋がります。壮大になってきました。

重力で落下する水流に正弦波の音を当てると‥

正弦波とハムノイズの情報をさらに集めていると、Twitterで面白い動画を見つけました。
蛇口から下へと流れる水流に正弦波を生成する音を当てたらどうなるか、という動画です。
1つ目は24Hz、つまり1秒間に24回の正弦波を繰り返した音(周波数)を当てたものです。スピーカーからは低音のジーーとしたハムノイズのような音が聞こえます。

通常の下ヘと流れる水流から、24Hzの音により水流の形が変化し、その形が繰り返されているように見えます。軌道の位置は固定されています。よく見ると水がくるくると回転、渦のようになっていることが分かります。動画の最後の方は水流から離れて単独で空中にいる水の塊もあります。

2つ目も同じような動画ですが、動画の最後の方は25Hzに切り替えたのでしょうか。それまで軌道に変化のなかったものが、25Hzだとくるくると下へ波が移動しながら流れていくように見えます。
Hz、つまり周波数に応じて水流の流れが変化することが分かります。

今回のまとめ

□正弦波は厳密な意味では自然界には存在しないが、広義の意味では海の波、音波、光波などで発生する。
純粋な正弦波に近い音
・口笛
・ぬれた指先でクリスタルグラスの縁をなぞって振動させる際に発生する音
・音叉の音

□ハムノイズの「ハム」とは正弦波に近い倍音の少ないもの
ハムノイズの例
・電源周波数に準じた低いブーンという雑音
ハムの語源
・ミツバチの羽音
・機械がブンブンと唸る音
・鼻歌
・ハミング

□マイクが拾ったハムノイズはパソコンの振動という情報からの考察(重力を感じにくくなる周波数が存在する？)
□蛇口から下へと流れる水流に正弦波を生成する音を当てると変化する動画の紹介

正弦波とハムノイズ、そしてハムノイズと重力の関係について考察しました。水流の動画は分かりやすかったと思いますが、音、とくに正弦波に近いハムノイズのような音による何らかの隠された効果があると確信しています。引き続き情報を集めていきます。

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