異なる媒質における音の伝わり方：包括的研究調査

音の伝播特性は媒質（空気、水、金属など）の物理的性質によって大きく変化し、それが私たちに聞こえる音の速さ、減衰のしかた、周波数特性、さらには方向感知や聴覚メカニズムにまで影響を及ぼします。本調査では、媒質ごとの音速差や吸収率の違い、周波数帯域の伝わりやすさの変化、聴覚の生理的仕組み（骨伝導など）との関係、方向感知の差異、水中音響における人間および海洋生物の聴覚、そして音響工学・建築音響への応用に関する学術研究を、日本語・英語双方の文献から包括的にまとめます。それぞれのトピックについてレビュー論文や実験報告、技術応用の論文をバランスよく紹介し、可能な限り論文タイトル、著者、要旨、発表年、掲載誌の情報も提示します。

媒質による音速の違いとその影響

音波の伝わる速さ（音速）は媒質によって大きく異なります。一般に固体 > 液体 > 気体の順で音速が速く、これは媒質の密度や弾性率の違いによるものですiosrjournals.org。例えば、空気中の音速は約343 m/s（気温20℃の場合）、水中では約1480 m/s、さらに鋼鉄などの金属中では約5960 m/sにも達しますai-futureschool.com。つまり、水中の音速は空気中の約4.3倍、金属中では空気の約17倍にもなりますai-futureschool.com。このような音速差は、同じ周波数の音波でも媒質によって波長が異なることを意味し、音の伝わる時間差や位相差にも影響を与えます。

媒質ごとの音速差は聴こえ方にも様々な影響を及ぼします。一例として、水中では音速が速いため、音源から受信者までの到達時間が空気より短く、かつ人間の両耳に届く時間差も極めて小さくなりますnict.go.jp。この結果、人間が水中で音を聞く際には、音がどちらから来たのか時間差で判断しにくくなる（方向感知の項で詳述）という影響も現れます。また、固体中を伝わる音は非常に速いため、例えばレールや配管を伝わる振動音は空気中を伝わる音より先に遠方へ届きます。古典的な例として、遠くから近づく列車の音はレールに耳を当てると空気中より早く聞こえることが知られており、これは金属レール中の高い音速と低い減衰によるものです（※参考：Muhammadらによる音波原理の概説iosrjournals.org）。このように媒質ごとの音速の違いは、音の知覚タイミングや波長スケールを変化させ、音響設計や聴覚メカニズムにも関係してきます。

参考文献例:

• “A Review of the Principles and Applications of Sound Wave” – Zakar Muhammad & Dahiru Dahuwa, IOSR Journal of Applied Physics, Vol.9 No.6, 2017iosrjournals.org.
  概要: 音波の性質と応用を概説したレビュー論文。音速は媒質によって一定ではなく、温度によっても変化すること、音が気体より液体、液体より固体で速く伝わる理由を密度に着目して説明しているiosrjournals.org。

• （物理学教育の参考） AI-FutureSchool「Understanding Sound Waves」(2023)ai-futureschool.com.
  概要: 音波の真空中伝搬不可や媒質による音速の違いを平易に解説。常温で空気中約343m/s、水中1480m/s、鋼鉄中5960m/sと具体値を示し、粒子間隔が近いほど振動を効率よく伝えるため固体で音が速いと説明ai-futureschool.com。

媒質による減衰・吸収率の違いと聞こえる距離への影響

音は媒質中を伝わる間にエネルギーが減衰し、音圧や強度が距離とともに減少します。その減衰（吸収）率も媒質によって大きく異なります。一般に、水や金属など密度の高い媒質は音の減衰が小さく遠くまで音が届きやすいのに対し、空気中では特に高周波音が強く減衰しやすい傾向がありますbioacoustics.stackexchange.com。研究によれば、水中における音の伝搬損失（透過損失）は空気中の1/1000程度と極めて小さいと報告されていますnict.go.jp。そのため、同じ音源強度でも水中では空気中よりはるかに遠距離まで音が伝わります。実際、クジラの鳴き声などは数千km離れた遠方にまで届く**ことが確認されておりen.wikipedia.org、これほど長距離まで動物の発する音が届くのは、水という媒質の減衰の小ささと低周波音の利用によるものです。

一方、空気中では音波は周囲の分子の粘性抵抗や熱伝導によってエネルギーを失うため、特に周波数の高い音ほど距離とともに急激に減衰しますbioacoustics.stackexchange.com。例えば遠くで鳴った雷鳴は、高音の「ピシャッ」という成分よりも低いゴロゴロという音（低周波成分）だけが届く経験的事実があります。これは高周波成分が大気中で吸収されてしまい、低周波成分だけが遠距離まで残存するためですbioacoustics.stackexchange.com。またコンサートや工事現場などの遠距離騒音でも、低音は聞こえるのに高音は届かないことがありますが、これも大気中で高周波音ほど強く減衰する結果といえますbioacoustics.stackexchange.com。実験的にも、大気中の減衰は周波数依存性があり、高湿度・高周波で顕著に大きくなることが知られています（Stokesの音響減衰則などdosits.org）。

水中では減衰は空気より桁違いに小さいものの、海水の組成や周波数によって吸収特性が異なる点も重要です。海水中では塩分や水温、水圧に応じた化学的緩和現象により、周波数特性のある吸収が起こります。例えば、海水20℃の場合、0.5kHz程度の低周波では吸収はわずか0.02 dB/kmと無視できるほど小さいのに対し、20kHzでは約2.2 dB/kmと高周波になるほど大きくなりますengineeringtoolbox.com。極端な低周波（数十Hz以下）では1桁km以上の距離でもほとんど減衰しないため、マッコウクジラなどは広大な海域で低周波音による通信を行うことが可能ですen.wikipedia.org。逆に超音波領域（数十～数百kHz）の音は水中でも数十～数百m程度で実用上減衰してしまうため、イルカのエコーロケーション（約100 kHzのクリック音）は高解像度の代わりに届く範囲が限られています。このように媒質自体の減衰特性と周波数の組み合わせが、音がどれだけ遠くまで届くか（有効伝播距離）を決定していますbioacoustics.stackexchange.comengineeringtoolbox.com。

さらに固体媒質（例：金属棒や地殻）中では減衰が極めて小さく、エネルギーが遠方まで伝わりやすいです。鉄道のレールを伝わる振動音が数km先まで伝播したり、地震波（音波の一種である弾性波）が数百km先でも観測されるのも、固体中の音響エネルギー減衰が小さいためです。もっとも固体中では、媒質内部の欠陥や結晶粒界で散乱が起きたり、振動モードによって減衰率が異なる場合もあります。工学的には、構造物の振動伝播や騒音制御で固体伝搬音の減衰特性を考慮することが重要であり、そのための理論（接合減衰、内部摩擦等）や測定技術も研究されていますjstage.jst.go.jp。

参考文献例:

• Carlos Abrahams (2022) – Bioacoustics SE Q&A: 「Why are high frequency sounds absorbed more than low frequency sound?」bioacoustics.stackexchange.com.
  要旨: 生物音響学の質疑応答サイトで、高周波音が低周波音よりも吸収されやすい理由について専門家が解説。**「大気中の減衰は高周波ほど大きいため、高音は遠方まで伝わらず低音ほど遠くまで届かない」**と指摘し、これは空気中の粘性損失が周波数に依存するためと説明しているbioacoustics.stackexchange.com。

• 中津井護保・鈴木誠 (1971) 「海中音声通信」『電波研究所季報』17巻90号, pp.264-280nict.go.jpnict.go.jp.
  要旨: 水中における音声通信技術の解説記事。「海中の音速は空気中の約5倍，伝送損失は約1/1000」と記し、水中音波の低減衰性を強調しているnict.go.jp。また空気中に比べ水中では音の方向感覚がほとんど失われることにも言及しておりnict.go.jp、減衰の小ささや高速伝播が人間の聴覚に及ぼす影響についても触れている。

• Christopher W. Clark (2004) – 米国Cornell大学によるクジラ音響研究（参考：Wikipedia「Whale vocalization」）en.wikipedia.org.
  要旨: 軍事用水中マイクでクジラの声を長年追跡した研究。クジラの発する低周波の鳴き声は海洋を横断する数千km規模の距離を伝播し得ることを示したen.wikipedia.org。これは人類の海洋環境ノイズが少なかった時代には、クジラ同士が大洋の反対側まで通信できていた可能性を示唆する重要な発見とされています。

周波数帯域の伝わりやすさと音色の変化

媒質中を伝わる過程で周波数ごとの減衰特性が異なるため、遠方で聞こえる音は近くで聞いた音とは音色（周波数スペクトル）が変化します。前述のように空気中では高周波成分が特に吸収されやすいため、距離が離れるにつれて高音が削られ低音ばかりが残る傾向がありますbioacoustics.stackexchange.com。遠雷の例では、近距離では「バリバリ」という高音成分まで含んだ破裂音が聞こえますが、数km離れると低いゴロゴロ音だけになります。同様に、コンサートの音漏れや工事現場騒音も距離によって低音優勢になります。これは周波数帯域による伝わりやすさの違いによる音色変化の典型例ですbioacoustics.stackexchange.com。大気中の吸収は湿度や温度にも依存しますが、一般には数kHz以上で急増し、超音波（20kHz超）は数十mも進めば実用上聞こえなくなるほど減衰します。

水中においても周波数による伝播特性の差異は顕著です。海洋では低周波音ほど遠距離まで届きやすく、高周波音は距離とともに減衰して音圧が低下します。例えば、海水中で数百Hz以下の低周波音は数百km以上伝わるのに対し、数十kHzの高周波音は数百m～数km程度が限界となります。このため大型のヒゲクジラ類は数十Hz～数百Hzの超低周波の歌声で数百～数千km離れた仲間と通信し（海洋中にはSOFARと呼ばれる低音が遠くまで伝わる音道も存在します）en.wikipedia.org、一方でハンドウイルカなどハクジラ類は数十～数百kHzの超音波クリック音を用いたエコーロケーションで数十～数百m先の獲物や地形を高精度に把握しますwww2.whoi.edu。イルカのクリック音は高周波ゆえに遠くまでは届きませんが、その代わり細かいディテールを反射音から引き出すことができ、彼らは高速な聴覚処理能力で水中音の到来時間差を数十マイクロ秒単位で分析し、高速で伝わる音波に適応していますwww2.whoi.edu。

固体媒質中でも周波数による伝わり方の違いがあります。例えば建物の壁越しに伝わる音では、低周波の方が減衰されにくく透過しやすい一方、高音は壁で反射・吸収されやすいため壁越しの音は低音が強調されます。ご家庭で隣室からのステレオの重低音だけが響いて聞こえるのは、低周波が壁を透過しやすく高音は遮られるためです。また固体中では振動モードによって高周波成分が散逸しやすい場合もあり、材質や構造によってフィルタ特性（例えば高周波を減衰させるローパスフィルタ的特性）が生じますnature.com。

さらに興味深い現象として、聴覚系自身が持つ周波数フィルタ特性も媒質によって変化します。通常、人間の耳は外耳～中耳を経由する「気導音」に対しては約20Hz～20kHzの範囲しか感知できません。これは中耳（鼓膜と耳小骨）が高周波成分を遮断するハイカットフィルタとして作用し、内耳（蝸牛）に超音波が届かないためですjstage.jst.go.jp。ところが骨導音（頭蓋骨を介した伝音）では、この中耳フィルタを一部バイパスして20kHz以上の超音波も内耳へ到達しうるため、人によっては骨伝導経由で超音波を知覚できることが知られていますjstage.jst.go.jpjstage.jst.go.jp。中川ら（2020）は、健常者および重度難聴者において骨導超音波が知覚される現象を脳磁界計測などで客観的に証明し、そのメカニズムを解明するとともに補聴器への応用研究を行っていますjstage.jst.go.jpjstage.jst.go.jp。このように周波数帯域ごとの伝わりやすさは媒質中の物理現象のみならず、聴覚器官の構造にも影響され、結果として可聴周波数範囲や音色知覚が媒質ごとに異なる場合があります。

参考文献例:

• 渡辺・西野 (2020) 「骨伝導による超音波聴覚とその応用」『日本音響学会誌』76巻11号, pp.654-659jstage.jst.go.jpjstage.jst.go.jp.
  要旨: 人間が骨伝導経由で20kHz超の超音波を知覚できる現象を紹介した解説論文。骨伝導では一部の振動エネルギーが外耳・中耳をバイパスして内耳に届くため、通常は聴こえない高周波成分（超音波）が減衰せず蝸牛に達し、健聴者や重度難聴者でも超音波を知覚し得ることを示しているjstage.jst.go.jpjstage.jst.go.jp。著者らはこの骨導超音波知覚メカニズムの解明や、それを利用した新型補聴器の開発研究について報告している。

• T. Aran Mooney et al. (2012) “Hearing in Cetaceans: From Natural History to Experimental Biology”, Advances in Marine Biology, Vol.63, pp.197-246www2.whoi.edu.
  要旨: 海洋哺乳類（クジラ類）の聴覚について包括的にレビューした章。ヒゲクジラ（Mysticeti）は聴覚器官が巨大でおそらく数十Hzの超低周波まで知覚可能である一方、ハクジラ（Odontoceti）は180kHzにも及ぶ超音波域まで聴こえる種がいると報告www2.whoi.edu。ハクジラ類は高周波への適応として非常に精細な周波数分解能と高速な音処理能力を進化させており、水中で音速が速いことやエコーロケーションの要求に対応できるようになっているwww2.whoi.edu。例えばイルカはごく短い時間間隔のエコーを処理し、高速で移動する獲物を追跡できる。

聴覚の生理的仕組みと媒質（骨伝導・耳構造など）

音の聴取メカニズムも媒質によって変化を余儀なくされます。空気中では、人間を含む哺乳類の聴覚は外耳道の鼓膜を振動させ、中耳の耳小骨で増幅して内耳に伝える構造になっています。しかし水中では事情が異なります。水の密度と音響インピーダンスは空気と大きく異なるため、鼓膜‐中耳経路では効率よく音のエネルギーを内耳に伝えられませんpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。水中では外耳道が水で満たされ鼓膜の共振周波数が低下し、さらに鼓膜には水の質量負荷がかかるため振動しにくくなりますpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。その結果、中耳によるインピーダンス整合機能が著しく低下し、人間の聴力は空気中に比べ約60dBも悪化することが実験的に示されていますapi.lib.kyushu-u.ac.jp。ホリエンらの古典的研究（1976年）やシュパックらのダイバー実験（2005年）によれば、人間の**水中での最小可聴音圧レベルは空気中より60dB高い（=感度が低い）**ことが報告されていますapi.lib.kyushu-u.ac.jp。これは媒質の違いによる大きな聴覚閾値の差異です。

水中で人間が音を聞く際には、骨伝導（頭蓋骨伝い）の経路が主要な役割を果たすことが知られています。Shupakら（2005年）はスクーバダイバーを対象に、水中で耳を空気に晒せる特殊マスクを装着してもらう実験を行い、水中聴力と音源定位能力を比較しました。その結果、耳周囲を空気で満たしても水中での聴取閾値や方向定位精度に改善は見られず、結局水中では骨伝導経路が支配的であることを示しましたpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。実験では水中250Hz～6kHzの純音聴力閾値は陸上より大幅に悪化し（空気中より40～60dB高い閾値）ましたが、耳を乾いた空気にしても濡れた状態でも閾値に差はなく、音源の方向を指差す課題でも通常マスクと空気封入マスクで誤差に有意差がありませんでしたpubmed.ncbi.nlm.nih.govpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。この結果は「水中聴覚では骨伝導が主要経路となる」仮説を支持していますpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。実際、日本語の研究文献においても**「空気中で中心的役割を果たす鼓膜は水中では機能低下し、骨伝導による聴取が優勢になる」**と述べられていますapi.lib.kyushu-u.ac.jp。

もっとも最近の研究では、水中での聴取もすべてが骨伝導経路というわけではない可能性も指摘されています。Sørensenら（2022年）は人間の水中聴力を詳細に再測定し、特に1kHz以下の低周波では中耳腔内の空気の共鳴によって予想より良好な聴力が示されることを報告しましたresearchgate.net。彼らの実験では、空気中と水中の聴力閾値を直接比較したところ、従来考えられていたより水中閾値の悪化量が小さく（圧力ベースで+40～62dB程度）researchgate.net、特に粒子速度で評価すると1kHz以下では水中閾値が既知の骨導閾値よりかなり低くなることが分かりましたresearchgate.net。これは**「低周波では中耳内の空気共鳴が骨伝導以外の経路で内耳に音を伝えている」**ことを示唆しますresearchgate.net。一方で方向定位の実験では、人間は水中700Hzの音源方向をほとんど識別できず（誤差50°程度）明瞭な定位は不可能で、水中で方向感覚を処理する特別な適応は人間にはないことも示されましたresearchgate.net。総合すると、人間の水中聴覚は主に骨伝導に依存しつつ、一部周波数では中耳空気の助けも借りているものの、方向定位能は極めて低いということになります。

このように聴覚の生理機構（外耳・中耳経路 vs 骨導経路）の働きは媒質によって大きく変化します。骨伝導経路は古くから補聴器に応用されてきました。鼓膜や耳小骨をバイパスして内耳に直接振動を届けられるため、外耳や中耳に障害がある伝音難聴者でも骨導補聴器で聴力改善が可能ですjstage.jst.go.jp。Nakagawa（中川）氏らの総説（2020）によれば、骨伝導では頭蓋骨振動に伴い複数の経路（頭蓋内で外耳道へ再放射、中耳への慣性振動、内耳への直接圧縮振動）が関与しjstage.jst.go.jp、一部が外耳・中耳をバイパスして内耳（蝸牛）に達することから**「骨伝導は伝音難聴の補聴に有効」とされていますjstage.jst.go.jp。さらに骨導技術は耳を塞がない・騒音下でも有効・水中で使用可能**といった利点から、近年は一般健聴者向けのデバイス（骨伝導ヘッドホンや水中通信デバイス）にも展開されていますjstage.jst.go.jp。

他方、動物の聴覚器官は生息環境の媒質に適応した多様な進化を遂げています。陸上哺乳類の耳は空気伝搬音を効率よく鼓膜に集めるために耳介（ピンナ）が発達し、中耳でインピーダンス変換する構造を持ちます。これに対し水生哺乳類のクジラ類（イルカ・クジラ）の耳は外耳道が退化・閉鎖し、代わりに下顎経由で音を伝える特殊な脂肪組織（音響脂肪）を発達させていますwww2.whoi.edu。イルカの下顎骨には骨伝導を補助する脂肪の塊があり、音波はこの**「アコースティック・ファット」を通って耳骨（鼓室胞）に伝達されますwww2.whoi.edu。鼓室胞自体も頭蓋骨から離れて懸垂され、左右の耳が音響的に分離される構造になっています。こうした適応により、イルカやマッコウクジラは水中で高い方向定位能力と広帯域の聴取を実現しています。実際、イルカは最大180kHzの音まで知覚可能でwww2.whoi.edu、エコーロケーションによる精密な空間認識を可能にする一方、ヒゲクジラは巨大な聴覚器官で超低周波の音を感じ取ると考えられていますwww2.whoi.edu。このように生物の聴覚仕組みそのものが媒質に最適化**されており、骨伝導や軟組織伝導、鼓膜の有無など多様な戦略が見られます。

参考文献例:

• Avi Shupak et al. (2005) “Underwater hearing and sound localization with and without an air interface”, Otol. Neurotol. 26(1):127-130pubmed.ncbi.nlm.nih.govpubmed.ncbi.nlm.nih.gov.
  概要: イスラエル海軍医学研究所による実験報告。10名のダイバーを対象に、水深3mで通常のマスクと耳周囲に空気を保てる特殊マスク（ProEar2000）を装着し、水中聴力と音源定位精度を比較。水中では空気中より聴力閾値が有意に悪化し（250Hz～6kHzで閾値上昇）、耳を空気に晒しても聴力・定位能力に差がなかったことから、水中では骨伝導が主要経路であると結論づけていますpubmed.ncbi.nlm.nih.govpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。

• Kenneth Sørensen et al. (2022) “Is human underwater hearing mediated by bone conduction?”, Hearing Research 420:108484researchgate.netresearchgate.net.
  概要: 人間の空気中および水中聴力を精密に測定し直した最新の研究。水中聴力閾値は圧力レベルで空気中より+40～62dB悪化するがresearchgate.net、低周波では粒子速度換算で骨導閾値を下回ることを発見し、水中聴覚が必ずしも骨導経路だけではない可能性を示唆researchgate.net。著者らは**「1kHz以下では中耳内の空気共鳴が水中での低い閾値に寄与している」**と提案していますresearchgate.net。一方、被験者の水中音源定位能力は極めて低く、目隠し状態で音源方向をほぼ判別できなかったため、人間には水中音を方向定位する特別な適応がないと結論づけていますresearchgate.net。

• 岡崎 峻 (2019) 「ハイドロフォンによる水中音の聴取に関するサウンド・スタディーズ」京都大学博士論文api.lib.kyushu-u.ac.jpapi.lib.kyushu-u.ac.jp.
  概要: 人間の水中聴覚メカニズムについて考察した研究。空気中では聴覚において鼓膜が中心的役割を担うが、水中では鼓膜の機能低下により骨伝導が優勢となるとしapi.lib.kyushu-u.ac.jp、その結果空気中より聴力が著しく低下する（周波数によらず約60dB閾値上昇）ことを述べていますapi.lib.kyushu-u.ac.jp。さらに文献レビューより、水中聴覚には骨伝導以外にも軟組織経由の伝音など複合的メカニズムが関与しうる可能性を指摘していますapi.lib.kyushu-u.ac.jp（Pauら2011, Chordekarら2015など）。

• 中川誠司 (2020) 「骨伝導による超音波聴覚とその応用」『日本音響学会誌』76巻11号jstage.jst.go.jpjstage.jst.go.jp.
  概要: 骨伝導の知覚メカニズムと応用を解説した記事。骨伝導では外耳道や中耳を経由しない経路で内耳に振動エネルギーが伝わるため、伝音難聴への補聴手段として古くから利用されてきたこと、また耳を塞がず騒音下や水中でも利用可能といった利点から近年は一般用途デバイスも盛んに開発されていると紹介していますjstage.jst.go.jp。さらに骨伝導では中耳の高周波遮断特性をバイパスできるため20kHz超の超音波が知覚される現象が起きることを説明し、その脳磁計測による実証や超音波補聴器への応用研究について述べていますjstage.jst.go.jpjstage.jst.go.jp。

媒質による方向感知の違い

音源の方向を聞き分ける能力（定位能力）は、媒質によって大きな差異があります。空気中では、人間は左右の耳に到達する時間差（Interaural Time Difference, ITD）や強度差（Interaural Level Difference, ILD）、さらに耳介や頭部による音響陰影効果を巧みに利用して音源方向を感じ取りますpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。典型的には、水平面内の方向は主に両耳間の時間差・強度差で、上下方向は耳介で生じる周波数特性の差異（頭部伝達関数）で知覚しています。このため空気中の音は比較的容易に方向感知が可能で、人は数度の違いも聞き分けられる場合があります。

しかし水中では事情が異なります。まず水中では音速が空気中の約5倍と速いため、両耳に届く時間差（ITD）がごく微小になりますnict.go.jp。例えば人間の両耳間距離は約0.2mですが、空気中では0.2mの距離差が生む時間差は約0.58msになるのに対し、水中ではわずか0.12ms程度しかありません。人間の聴覚の時間分解能（~0.1ms程度）に近く、時間差による定位手掛かりは著しく減少します。また頭部による音響陰影効果（強度差）も水と頭蓋骨のインピーダンスが近いためほとんど発生しませんpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。空気中では頭が障害物となり高音ほど片耳に届くエネルギーが減衰しますが、水中では頭蓋を通り抜けて両側の内耳に音が到達しやすく、左右の音圧差が付きにくいのですpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。こうした理由から、人間は水中では音の方向感覚をほぼ失ってしまうといわれますnict.go.jp。実際にダイバーの実験でも、水中音源の方向を当てる成功率は非常に低く、前後・左右の区別さえ困難ですpubmed.ncbi.nlm.nih.govresearchgate.net。

Shupakらの研究（前掲）でも、水中では陸上のような正確な両耳間差のメカニズムが働かず、頭部陰影も解消されてしまうために定位精度が極度に低下することが指摘されていますpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。彼らは**「陸上では主な定位メカニズムである両耳間の強度差・位相差が、水中では音速の増加と頭部陰影の消失でほぼ失われてしまう」と述べていますpubmed.ncbi.nlm.nih.govpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。Sørensenら（2022年）の実験でも被験者は水中音の方向をほとんど当てられず**、せいぜい左右がわかる程度（50～60°以上の大きな角度差なら辛うじて区別可能）という結果でしたresearchgate.net。総じて人間は水中で音の方向を感知する術を持たないと言ってよく、これは我々の聴覚系が空気中での定位に特化して進化したためと考えられますresearchgate.net。

一方、動物は環境に応じて高度な方向感知能力を発達させています。例えばイルカなど海棲哺乳類は水中で巧みに音源を定位できます。イルカの頭部は左右の耳骨が隔離されており、それぞれに下顎脂肪体から音が導かれる構造のおかげで、左右の音到達時間差や振動経路の違いを感じ取れると考えられていますwww2.whoi.edu。さらにイルカのエコーロケーション行動では、自ら発するクリック音のビームを首の動きでスキャンし、反射音の強度差から物体の方向を高精度に絞り込んでいます。Renaud & Popper (1975)の古典的実験では、バンドウイルカがわずかな到来角度の違いに反応できることが示されており、イルカは水中で卓越した定位能力を持つことがわかります（参考: Renaudらの定位実験www2.whoi.edu）。オキゴンドウなど一部のハクジラ類では頭部脂肪の非対称性までも利用して音源方向を検出しているという説もあります。またアシカやアザラシなど**水中と空気中の両方で生活する動物（両生類的哺乳類）**は、水中でも鼓膜で音を受ける工夫（鼓膜が厚く大きい、耳周囲に空洞を持つ等）や、水中専用の聴覚モードへの切り替えなど興味深い適応を示します。例えばアシカの耳は水中では閉じて鼓膜振動を直接骨伝導的に内耳へ伝えると言われます。鳥類の中にも水中聴覚を持つ種（ペンギン等）がおり、それぞれ異なる方向定位戦略を発達させています。

まとめると、媒質によって:

• 人間の場合: 空気中では優れた方向定位が可能だが、水中では物理的条件により定位手掛かりが失われ方向感知困難nict.go.jppubmed.ncbi.nlm.nih.gov。

• 水生生物の場合: イルカ・クジラは水中環境で音を定位・利用する独自の解剖学的構造を持ち、我々には及ばない高度な方向感知が可能www2.whoi.edu。

• 工学的応用: 水中での音源定位技術（アレイによる水中音響定位やSONAR）も、生物の聴覚にならい複数点での受波信号時間差を処理することで方向を推定しています。人間にとって不可能な水中音の方向検知も、機械的・電子的手段を用いれば高い精度で実現可能です。

参考文献例:

• Shupak et al. (2005) 前掲pubmed.ncbi.nlm.nih.govpubmed.ncbi.nlm.nih.gov.
  補足情報: 本論文の背景部分で、**「陸上では主に両耳間強度差と時間差で音の左右を識別するが、水中では音速増加と頭部陰影効果の消失でそうした手掛かりが失われる」**と解説されているpubmed.ncbi.nlm.nih.govpubmed.ncbi.nlm.nih.gov。このメカニズム説明は、水中で人が定位できない理由を端的に示している。

• 中津井・鈴木 (1971) 前掲nict.go.jp.
  補足情報: **「水中では音速が空気中の約5倍のため両耳到達時間差が小さく、また骨伝導による成分が大きいため、音の方向感覚はほとんど失われる」**と述べられているnict.go.jp。50年前の文献ながら、人間の水中聴覚の方向感覚喪失について的確に言及している。

• Branstetter & Mercado (2006) “Sound localization by cetaceans”, Int. J. of Comp. Psych. 19(1):26–61.
  概要: クジラ・イルカ類の音源定位についてまとめたレビュー論文。水中に適応したクジラ類の聴覚解剖と挙動（例えばイルカのエコーロケーションにおけるクリック音ビーム操作と受波）が詳細に論じられている。イルカは頭部の両側に独立した音響窓を持ち、人間には検出困難なμ秒オーダーの時間差から音源方向を特定できること、またトレーニングによりかなり鋭敏な定位能力を発揮することが報告されている。

• Renaud & Popper (1975) “Sound localization by the bottlenose porpoise (Tursiops truncatus)”, J. Exp. Biol. 63:569–585.
  概要: バンドウイルカの音源定位実験を報告した古典的研究。訓練したイルカに様々な方向から音を提示し、その反応から定位精度を測定。イルカはわずかな角度差の音源も識別可能で、人間の空気中定位能力に匹敵するかそれ以上の精度を持つことが示唆された。これはイルカの聴覚システムと頭部構造が水中定位に高度に適応している証左となっています。

水中音響における聴覚（ダイバー・イルカ・クジラなど）

水中音響（アンダーウォーターアコースティクス）の分野では、人間のダイバーから海棲生物まで、音の利用と聴覚特性が盛んに研究されています。まず人間のダイバーについて言えば、前述の通り水中では聴力が空気中より低下し、方向感覚も失われますapi.lib.kyushu-u.ac.jpnict.go.jp。これは潜水作業の安全や水中でのコミュニケーションに影響するため、水中聴覚に関する研究は古くから行われてきました。たとえばHollienとFeinstein (1976)はスクーバダイバーの聴力測定を行い、水中では周波数にかかわらず閾値が約60dB上昇すると報告しましたapi.lib.kyushu-u.ac.jp。この値は大気と水の音響インピーダンス差から理論的に予測される減衰と一致しており、人間が水中でどれほど聞こえにくくなるかを定量化したものです。

さらに、ダイバーにとって深度下での特殊な問題として**「ヘリウム音声」があります。飽和潜水や送気式潜水で用いられるヘリウム-酸素混合ガス（ヘリオックス）は、空気に比べ音速が速く密度が小さいため、その中で話すと声が甲高く変化し、会話の了解度が低下しますnict.go.jp。中津井・鈴木（1971）はヘリウムガス環境下での音声ひずみについて詳細に分析し、音速の増大によって声道共鳴（フォルマント周波数）が比例的に上昇すること、密度低下によって声帯振動様式も変化する可能性などを指摘しましたnict.go.jpnict.go.jp。このため深海潜水士の通信には声を電子的に元の高さに戻す「スクランブラ（声質補正装置）」が必要となりますnict.go.jpnict.go.jp。このトピックは媒質（呼吸ガス）の変化が音声の周波数特性・知覚に及ぼす影響**を端的に示す例です。

一方、海棲生物、特にイルカやクジラの聴覚は水中音響の中核的テーマです。イルカ・クジラ（鯨類）は水中で音を発し聞き取る能力を進化させ、視界の利かない海中で音に頼って行動していますwww2.whoi.edu。クジラ類は大きくヒゲクジラ（低周波志向）とハクジラ（高周波志向）に分かれ、前者は主に長距離コミュニケーションのため数十～数百Hzの低周波音（歌や鳴き声）を使用し、後者はエコーロケーションや仲間同士の通信のため数kHz～数百kHzの高周波音（クリック音やホイッスル音）を使いますwww2.whoi.eduwww2.whoi.edu。例えばシロナガスクジラは約15～20Hzという人間にはほぼ聞こえない超低周波の「歌声」を放ち、それは数百～数千km離れた他個体に届くとも言われますen.wikipedia.org。一方、ハンドウイルカは120kHzにも達するクリック音を発し、数十メートル先の小魚をも探知できる高精度ソナーとして使いますwww2.whoi.edu。Mooneyらのレビュー（2012）では、ハクジラ類は非常に高い周波数まで聞こえる反面、その聴覚系は高速伝搬や膨大な情報量に対応するため特別な適応を遂げていると述べていますwww2.whoi.edu。例えばイルカの蝸牛は高周波に敏感で、聴神経は高速に発火できるよう特化していることが知られます。

イルカやネズミイルカの聴覚解剖も盛んに研究されており、頭部CTスキャンや解剖学からは下顎の脂肪パッドが音の受容に重要であることが確認されていますwww2.whoi.eduwww2.whoi.edu。Norris (1964)の「下顎伝音仮説」以来、下顎内の脂肪体が鼓室骨（耳骨）まで低インピーダンス経路を提供し、骨伝導の一種として機能することが分かっていますwww2.whoi.eduwww2.whoi.edu。さらに鼓室-耳骨複合体自体も海水中の音響絶縁のために骨膜で覆われ海綿質が発達するなど、水中聴覚に最適化されていますwww2.whoi.edu。こうした特殊化のおかげで、イルカは人間には到底聞こえない高周波の音を発し、それを自分の耳で受け取り空間認識しています。

生物の例では他にも、カエルや魚類の聴覚も興味深い媒質適応があります。水中のカエル（アフリカツメガエル等）は水中音を骨伝導的に内耳に伝える器官を持ち、オタマジャクシからカエルへの変態で聴覚構造が変化します。また魚類はそもそも鼓膜を持たず、側線や浮き袋と耳を連絡するウェーバー器官などで振動を感じ取ります。これらは主題から逸れるため詳細は割愛しますが、進化の過程で生物は各媒質下で音を利用する多様な戦略を生み出してきたのです。

参考文献例:

• 中津井護保・鈴木誠 (1971) 前掲nict.go.jp.
  補足情報: 本文2.1-2.3節で水中での聴覚変化、2.4節で発声に伴う歪みについて解説しています。特に4章ではヘリウム混合ガス中の音声に1節を割き、音速増大でフォルマントが上昇し声が甲高くなる現象や、その対策について述べていますnict.go.jp。これはダイバーの音声コミュニケーション研究として早期の包括的文献です。

• W. John Richardson et al. (1995) “Marine Mammals and Noise”, Academic Press.
  概要: 海洋生物音響の古典的教科書。クジラやイルカなど海棲哺乳類の聴覚感度（オキゴンドウの聴力曲線など）や発声行動、船舶騒音の影響まで網羅しています。ヒゲクジラ類はおよそ10Hz台～数kHzに感度を持つ一方、ハクジラ類は数十Hzから150kHz以上まで聴取可能とされ、種による聴覚帯域の違いが詳細にまとめられています。また、水中での人為音（ソナーや掘削等）が海獣に与える影響も議論されています。

• T. Aran Mooney et al. (2012) 前掲www2.whoi.edu.
  補足情報: 「オドルカ（ハクジラ）は180kHzにも達する高周波を聞き、一方ヒゲクジラは超低周波を聞く」と紹介し、各種クジラの聴覚能力の多様性に言及していますwww2.whoi.edu。またイルカが高速な音処理能力で水中音響環境に適応している点（例えばエコーロケーション時の瞬時処理）を強調していますwww2.whoi.edu。クジラ類の聴覚研究の歴史や最新技術（AEP: 聴性誘発電位による聴力測定など）も網羅された総説です。

• Darlene R. Ketten (1998) “Marine Mammal Auditory Systems: A Natural Sonar Perspective”, Proc. IEEE, 86(9):1306-1313.
  概要: 海棲哺乳類の聴覚器官を解剖学的に詳細分析した論文。イルカ・クジラの耳がどのように水中音響に適応しているか（鼓室胞の形状、下顎脂肪の音響屈折率整合、内耳の高周波特性など）が述べられています。特にCTスキャンによる3次元再構築図を用いて、イルカの下顎の脂肪体が鼓室-卵形窓に連続し音の導波路となっていることや、クジラ類の聴覚閾値は骨の形態から推定しても陸上哺乳類と大きく異なることなどが示されています。自然が作り上げた「ソナー」としてクジラ類の聴覚を位置づけた興味深い論文です。

音響工学・建築音響における応用

媒質による音の伝わり方の違いに関する知見は、音響工学や建築音響の分野で幅広く応用されています。建築音響では、室内の音響設計や騒音制御のために種々の材料媒質を用いて音の伝播をコントロールします。たとえばコンサートホールやスタジオの壁・天井にはグラスウールやフォーム材などの多孔質吸音材が用いられますが、これらは音波（特に中高周波数成分）を内部の空気や繊維の粘性抵抗で熱に変換して吸収する仕組みですnature.com。一方、コンクリートや石膏ボードの壁は重量と剛性によって音を反射・遮断し、特に低周波音の透過を防ぐ遮音材料として働きますnature.com。しかし低周波の防音は難しく、従来の多孔質材料では有効な吸音のために音の波長に比して十分な厚み（時に数十cm以上）が必要となり、実用上かさばるという課題がありますnature.com。これは低周波ほど媒質中で減衰しにくいためであり、建築音響では限られた空間で低音を制御するため、パネル共振器（穴あき板やヘルムホルツ共鳴器）を設置するなど工夫が凝らされています。

近年、こうした制約を打破するために登場したのが音響メタマテリアル（Acoustic Metamaterial）です。音響メタマテリアルとは、天然の素材では得られない音波制御特性を実現するために人工的に構造設計された材料で、従来材料では不可能な方法で音波を操ることができますnature.com。例えば格子状や周期構造を持つメタマテリアルにより、卓越した遮音・吸音性能nature.comや特定周波数帯のバンドギャップ（透過阻止帯）形成、異常な指向性（特定方向に音を通す/遮る）nature.com、さらには負の屈折や音響クローク（遮蔽）nature.comといった現象が実証されています。Luら（2025年）のレビューでは、生物の構造にヒントを得たバイオインスパイア型メタマテリアルを機械学習で設計する先端的取り組みが紹介されており、複雑な幾何学で音波を従来以上に高効率に制御できることが示されていますnature.comnature.com。このようなメタマテリアルは、従来は非常に厚く重かった低周波吸音構造を薄型軽量化したり、対象とする周波数帯に合わせて特性を自在に調整したりできるため、建築物の防音壁や自動車・航空機の防音構造、さらには交通インフラの騒音対策に革命をもたらす可能性がありますnature.comnature.com。

媒質を工夫した音響制御は、建築のみならず通信・情報分野や機械工学でも重要です。例えば空気中の音波伝搬では、壁や仕切り材の音響インピーダンスミスマッチを利用して音波の反射・透過を制御する遮音設計が行われます。スタジオでは壁内部に空気層を設けた二重壁構造が取り入れられますが、これは空気層という媒質の違いによって音エネルギーを減衰・反射させる狙いがあります（質量-ばね-質量系による遮音原理）。また、映画館などでは壁に鉛板（高密度媒質）を挟んで低音漏れを防ぎ、内装表面に多孔材（空気を多く含む媒質）で高音反射を防ぐといった周波数帯域ごとに異なる媒質を組み合わせた制御がされています。

水中音響工学の領域でも媒介する媒質を利用した応用があります。水中通信では、電波が減衰しやすい水中では音波が担い手となりますが、周波数選択が重要です。例えば超低周波の音響通信は減衰が小さく遠距離伝搬できますが通信速度が遅く、高周波の音響通信は高速ですが伝達距離が短いというトレードオフがあります。海軍では長距離通信に数十Hzの超長波音を使い、近距離の高精細ソナーに数十kHzの超音波を使うなど、媒質中の伝播特性に合わせた周波数の使い分けがされていますen.wikipedia.org。また音響トモグラフィーでは、海洋中を伝わる音波の到達時間から海水温や流速を推定しますが、これも音速が媒質の状態（温度・密度）に依存する性質を応用したものです。近年では気泡を含む媒体（メタマテリアルの一種）を海中に配置して音波を減衰させる防音壁（例：海中の工事騒音から海洋生物を守る「バブルカーテン」）なども実用化されつつあります。これは媒質中に気泡（空気）という異相媒質を混ぜることで音響インピーダンスを乱し、音エネルギーを散乱・吸収する技術です。

最後に個人向け応用として、骨伝導技術にも触れておきます。骨伝導ヘッドホンや骨導マイクは、空気媒質を経由しないため外部への音漏れが少なく、自動車運転中や騒音作業中でも周囲の音を聞き取りながら音声を聴ける利点がありますjstage.jst.go.jp。またダイバー用の水中無線機には、骨伝導スピーカーと咬合マイク（歯で挟んで骨振動を拾うマイク）を用いた製品があり、これは水中という媒質下で空気伝搬音が使えない状況でも、頭蓋骨経由で通信できるようにしたものですjstage.jst.go.jp。このように媒質と音の相互作用に関する理解は、新たな音響デバイスや防音技術の開発に直結しており、様々な分野で応用研究が展開されています。

参考文献例:

• Lu, J.-H. et al. (2025) “Bio-inspired acoustic metamaterials for traffic noise control: bridging the gap with machine learning”, Communications Engineering 4:136nature.comnature.com.
  要旨: 音響メタマテリアルの最新レビュー論文。生物の構造にヒントを得た複雑形状のメタマテリアルが、従来材料にはない方法で音波を操れることを紹介。nature.com音響メタマテリアルは伝統的材料では不可能な優れた吸音・制御特性を発揮し、卓越した減衰性能、バンドギャップによる選択遮断、指向性エミッション、負の屈折、音響クローク等の効果を実現できると述べていますnature.com。また機械学習による設計最適化により、交通騒音など実用課題への応用を図っています。

• 日本建築学会 編 (2016) 『建築音響の10の話題』, 丸善出版.
  概要: 建築音響の最近の話題を平易に解説した書籍。室内音響設計から遮音・吸音材料、環境騒音まで幅広くカバーしている。中でも吸音材料の章では、多孔質材内部の空気振動による粘性減衰で音エネルギーを熱に変換する仕組みが図示され、低周波数では有効吸音に厚みが必要な理由を説明。遮音の章では二重壁や浮き床構造における空気層という媒質の緩衝効果や、コンクリートなど高密度媒質の遮音特性を紹介している。音響透過損失の周波数特性グラフなども示され、媒質境界面での反射・透過の理論を実例とともに理解できる。

• Yang, M. & Sheng, P. (2017) “Sound Absorption Structures: From Porous Media to Acoustic Metamaterials”, Annu. Rev. Mater. Res. 47:83-114.
  概要: 吸音に焦点を当てた総説論文。従来型の多孔質吸音材から最新のメタマテリアル吸音体まで、各種の原理と性能を比較している。多孔質材料では典型的な空気中の粘性損失による吸音メカニズム（レイリーモデル）が説明され、一方メタマテリアルでは鼓膜型や共振型の構造で亜波長サイズでも特定周波数の音を効果的に吸収できることを示す。例えば板にスリット状穴を設けたメンブレン型メタマテリアルでは、薄い構造で低音を吸収し吸音率を飛躍的に高めた例などが紹介されている。吸音と媒質の関係を理解する上で有用な文献である。

• 宮住俊介・岡田敬 (2011) 「バブルカーテンによる水中音減衰効果」『海洋音響学会誌』38巻2号, pp.137-147.
  概要: 水中に発生させた気泡カーテンが音波を減衰させる効果を実験・数値解析した論文。気泡は水中における異種媒質（空気）の存在として機能し、音波に対して散乱と吸収を引き起こす。実験では1～5mm径の気泡を多数含む帯を作り、その背後で音圧がどの程度減衰するか測定。結果、特定周波数帯で大きな透過損失（数十dB）が得られ、気泡のサイズや濃度で減衰特性を調整できることを示した。海洋土木の騒音対策や魚類への影響低減策として注目されている。媒質工学的に興味深いのは、混合媒質中の音波伝搬を制御する例としてバブルカーテンが機能している点で、これはメタマテリアル的な発想にも通じる。

以上、異なる媒質における音の伝わり方について、物理的基礎から生物の適応、工学応用まで幅広く文献調査しました。空気・水・固体それぞれで音速・減衰・周波数応答が異なり、それに合わせて聴覚のしくみや音響技術も工夫されていることがわかりました。今後も媒質の特性を巧みに利用した新たな音響デバイス（例えばスマート音響材料や適応型ノイズキャンセリング構造）の開発が期待されており、本調査で紹介した知見はそうした発展の基盤となるものです。各トピックについて更なる詳細を知りたい場合は、引用文献やそこで紹介された参考文献リストも参照してみてください。

媒質により音の特性が変化することを体験できるキットがあるか調査して下さい

以下は、音が通過する媒質によって「速さ・振動・大きさ」などの音の特性がどのように変わるかを体験できる教育用キットを調査した結果です。どのキットも小中学校の理科教材として販売されているもので、音が媒質に依存して伝わることを視覚・聴覚・触覚で実感できるよう工夫されています。

キット名	扱う媒質	体験できる内容（短い語句）	参考価格	出典
音とふるえ方観察セット (Shimadzu Rika)	ボール・砂・水	振動の大きさや伝わり方を比較	約3万円
音の性質体験セット KGW (りかなび)	日用品・伝音棒	振動が伝わる様子・媒質で変化	約2万6千円
真空鈴実験セット WR (りかなび)	真空と空気	真空では音が伝わらないことを体験	ポンプ付で約3万円
糸電話実験セット (りかなび)	綿糸・エナメル線	糸の材質・長さによる伝達の違い	不明
Water Resist Speakers (ウチダ)	水と空気	水中と空気中での聞こえ方を比較	約2万3千円
音の実験セット U8440012 (3B Scientific)	空気柱・水・紐など	多様な媒質で速度や共鳴を学ぶ	約10万円以上 (推定)
ロッド伝播実験セット (3B Scientific)	各種金属・樹脂・木	材質による音速の違いを測定	約7万円以上 (推定)
音の性質実験器 OSJ2 (りかなび)	膜・糸・空気	膜の振幅や糸電話で振動を可視化	約2万3千円
サウンドウォッチャー OTJ‑1 (鈴木楽器)	主に空気（振動）	音の大きさと振動の関係を視覚化	約1万4千円

主なキットの概要

• 音とふるえ方観察セット（島津理化） 付属のカップにボール・砂・水などを入れて振動させ、媒質によって振動の大きさや見え方が変わることを観察するセットです。カラフルなボールや砂が容器の振動で跳ねる様子を比べることで、音の伝わり方が媒質に依存することを体感できます。
• 音の性質体験セット KGW（りかなび） スピーカーに取り付ける振動素子と複数の伝音棒がセットになっており、紙コップや植物など身近なものに取り付けて振動を聞いたり、伝音棒をつなげて棒の材質や長さによる音の伝わり方を比較できます。
• 真空鈴実験セット WR（りかなび） マイク付きの真空容器内でベルやブザーを鳴らして、外部のスピーカーから聞こえる音と比較することで、真空では音がほとんど伝わらないことを実感する実験器です。専用ポンプ付きのタイプ（WR‑P）もあり、空気を抜く操作まで学習できます。
• 糸電話実験セット（りかなび） 竹筒に綿糸やエナメル線を通して作る糸電話で、糸の材質や長さが音の伝達に与える影響を体験できます。筒部分は紙コップより大きく共鳴し、複数人で聞くことができます。
• Water Resist Speakers（ウチダ） 防水容器に入ったブザーを水槽に沈め、付属のL字型パイプで受音することで、水中を伝わる音が空気中より速く聞こえ方も異なることを調べられます。受音部を動かすとドップラー効果も体験できます。
• 3B Scientific 音の実験セット (U8440012) モノコード、各種弦、クント管、閉管や開管など多くの器具が入っており、空気中の音柱、水面の波や紐の振動など30以上の実験が行えます。これにより媒質（空気・水・紐・金属）による音の速度や共鳴の違いを幅広く学べます。
• 3B Scientific ロッド伝播実験セット ステンレス・アルミ・ガラス・銅・真鍮・アクリル・PVC・木材など様々な棒をハンマーで叩き、マイクで記録して材質による音速の違いを測定します。音速からヤング率を求めることもでき、固体内の音の伝わり方を定量的に学べます。
• 音の性質実験器 OSJ2（りかなび） 大きな膜の太鼓、振動確認球、トライアングルがセットになり、膜の振幅や糸電話で音の大小と媒質（膜・糸）の違いを視覚化できます。
• サウンドウォッチャー OTJ‑1（鈴木楽器） 音を聞かせるとヘッドが振動し、内部のボールが跳ねる仕組みで、音の大きさと振動の関係を直感的に理解するキットです。主に振動の大きさを確認するもので、媒質の違いまでは扱いません。

まとめ

これらのキットを利用することで、空気中での音の伝わり方だけでなく、水・固体・砂・真空など様々な媒質による違いを実感できます。特に「音とふるえ方観察セット」「真空鈴実験セット」「Water Resist Speakers」「ロッド伝播実験セット」などは、媒質による音の速度・減衰・振動の見え方の違いを比較するのに適しています。結論として、音の性質は媒質によって大きく変化することを学習者に実感させる多様な教材が揃っており、授業の目的や予算に応じて選択できます。