音速は音源の移動に無関係に一定なのでしょうか。

Question

音速は音源の移動に無関係に一定なのでしょうか。
例えば外宣車が猛スピードで通り過ぎたらその前後で調子が変りますが、これはドップラー効果というのですね。周波数は前後で変っても、音波の速度は変らないような気がします。
もうひとつの思考実験として、猛烈な高速気流を発生する風洞の中で音を発生したら、流れの前後で音速は変るのかという質問です。流れの先では速くなるような気もします。

同じ波の移動ということでは、光速は光源の移動に関わらず一定であるという法則に近似していると思うのですがこれは間違った思考方法でしょうか？

tamioogata · Accepted Answer

こんばんは、いや、既にお早うございますでしょうか？

>これはドップラー効果というのですね。周波数は前後で変っても、音波の速度は変らないような気がします。

音の発生源(音源)自体の速度が変わっても、音の速度は変わりません。

時速５０キロで走行している宣伝カーのスピーカー音が「音速＋車速」になるのであれば、宣伝カーが近付いて来るときと遠ざかって行く時の音に変化は無いはずです。

要するに、音速が音源の移動速度による影響を受けないからこそ、そこにドップラー効果という現象が発生するのです。(学問上、科学的にはそういう事になっていると思います)

>猛烈な高速気流を発生する風洞の中で音を発生したら、流れの前後で音速は変るのかという質問です。

これは興味深い疑問だと思います。

理論上強風の中でも音の伝わる速度は変わらないと思いますので、音の変化はないと言うのが教科書的な答えになるのではないかと思います。(ここでは仮に答えは、変わらないとしておきます)

それを裏付ける事例としては、もし音が気流や風速の影響を受けるとするならば、仮に音源から自分の居る場所までの間に左右、上下、斜めなど多方向に強弱バラバラな風が吹いていた場合、歌やメロディーは音程がバラバラになり、極端な場合は横方向とかに強風が吹くと自分の所に音が届かなくなって何も聞こえないと言う事が起きるはずですが、実際にはそういった現象を体験した事も有りませんし、体験したという話も聞いた事が有りませんから。

実際に空気の流れを音速より早くする事は不可能だと思われますが、仮に流速(風速)が音速を超えた場合にはどうなるのか、何処かの大学でバーチャルシミュレーションでも良いので一度実験してもらいたい興味深い課題だと思います。(個人的には何と無く変わりそうな気がしますが、風速が音速を超えた場合はどうなるのか興味深いという事です)

なぜ変わりそうな気がするかというと、超音速旅客機コンコルドに搭乗中に音速を超えて飛行している時でも「エンジン音は普通に聞こえる」という話を聞きますし、知り合いのパイロットから聞いた話では「戦闘機で音速を超えて飛行していても自機のエンジン音はずっと聞こえている」という話を聞いた事が有るからです。
(一緒に飛行している友軍機のエンジン音も聞こえると言っていました)

そうです、どうやら音速を超えて飛行していてもエンジン音が聞こえるようなので、私が思うには「音速を超える速度の音源が発する音は、音源となる物体の速度の影響を受けるのではないだろうか」という仮説が頭の中を過ぎります。
(当然ですが、パイロットや乗客が聞こえていると言っているのはエンジン音であって、ソニックムーブの衝撃音の事では有りません)

これは、先に記述した質問者様の疑問の「猛烈な気流」イコール、私の考える「音速を超える気流」の場合にも同じ事が起きるかも知れないと言うところに結びつきます。

>同じ波の移動ということでは、光速は光源の移動に関わらず一定であるという法則に近似していると思うのですがこれは間違った思考方法でしょうか？

他の回答者様のおっしゃるように音と光は別というご意見はもっともで、確かに音波と電波(光は目に見える特殊な電波(粒子))は別な物なのですが、それは相対的に見た場合と、光のもつ絶対的速度の関係を度外視して考えれば、このご質問に当てはめて考えた場合は「極似している」といえると思います。

音速の話に似ているのですが、人間は既に音速を超え事に成功しているので「音速を超えた時の状態」が有る程度分かっていますが、残念ながら光速を超える事は出来ていません、しかし可能で有ると仮定した場合「光速に近い速度又は光速で移動しながら進行する光を見たらどうなるのか」というのは大きな疑問であり、質問者様の音の疑問と共通する点が多いと思います。

>媒質から見た場合は、常に音速です、光は、誰から見ても常に光速ですが・・・

なのではなく、光も光速を超えて移動する事が可能な状態で観察した場合は音と音速の関係に近似していると思います。

ただ光が、誰から見ても常に光速なのは、我々が光速を超えることが出来ていないから、そう感じるだけなのではないかとも思えます。

ただし、実際には超音速での音波伝達や発生した音と音源の速度の相対実験は行なわれていないと思います、それに私自身も音速を超えたことは有りませんし、人類の誰もが実際に光速を越えた事は無いので、全て推測とか想像の世界でしか有りません。

結局、ぜんぜん答えになっていないかも知れませんが、何か質問者様の考えのヒントにでもなればと思いまして、投稿させていただきました。

長文失礼致しました。

cliomaxi · Answer

>光速で起こる現象は全て頭の中や卓上で考えたり計算したりして導かれた仮説であって、誰も体験した事が無いですし、実際に実験する事も出来ません。
相対性理論や特殊相対性理論だって実際にテストは出来ませんので、相対性理論事態が正しいのかさえ誰にも証明は出来ません。

この部分だけ。
もう何十年も前から実験を何度も行っていますし、それは相対性理論に反する結果は今のところ何も出ていません。
例えば光速度不変もそうですし、光速で移動すると時間が遅れる(粒子の寿命が延びる)と云うのも大規模な粒子加速器で実証済みです。
勿論この時質量が増える事も確認されています。
相対性理論は只の思考実験だけでは有りませんよ。
世界中の物理学者が大馬鹿か全員が口裏を合わせて実験結果を捏造でもしていない限り「相対性理論は大嘘」が現実のものとなりますが、そうなると今度は今まで正しかった法則も全てチャラにしなければならなくなるのです。
人間が感じる事が出来る世界ならニュートン物理学で事足りますが、それ以上のものになると人間の感覚は全く当てにならないのです。

おっと他の回答者への指摘は削除対象か。

ytakashi · Answer

気になる点が有りますので投稿させて頂きました。
質問に対して回答がズレているのではないかと感じます。

質問は大きく分けて２つだと思います。
１つは、音速と音源の移動に関する質問。
２つ目は、それらの音の現象が光速と光源の移動の特性などの法則と良く似ていると感じるけれど、この両者の持つ変化の性質や法則が近似しているという思考は間違いでしょうかと言う質問。

つまり、音と光は全く別な物であり、その現象自体も別々の物である事は重々分かっているけれど、音速と音源の移動の関係と、光速と光源の移動の関係は異質な物である筈なのに良く似ていると感じるのは自分だけの間違った思考なのでしょうか、というご質問なのだと思います。

しかし、多くの回答は「音と光その物の違いの説明」や「音と光の起こす法則や性質の違いの説明」になってしまっているのではないかと感じました。

他にも的確に回答されている方がいましたが、私も回答をさせて頂くとすれば「単純には凄く似ている」と感じます。

質問者様を含めて多くの方が、回答、お礼、捕捉などで色々な難しい解説や議論をして、音と光の違いや音と光の特性に付いて説明や話合いをしなければならない事が、逆にこの両者の「法則が近似している」という事を証明しているのではないかと思います。
(言うなれば、DNAは全く違う異なった生物なのに、外見が凄く良く似ているというお話に近い？)

前後しますが。
>周波数は前後で変っても、音波の速度は変らないような気がします。
私の答えは「変わらない」となります。
質問者様のお考えの通りで、周波数が変わっているだけで音速は変わっていません。

>猛烈な高速気流を発生する風洞の中で音を発生したら、流れの前後で音速は変るのかという質問です。
私の答えは「変わらない」となります。

バラバラな方向に強い風が吹いた時に音が変化するのは、音が風に流されて何処かに飛んでいってしまうからではなく、風速が変化したり風向が変化するとその付近の気圧が変化するので、この気圧変化によって音速が変化するからです。

風下に立っていると音が早く聞こえる事は無く、超強風の時に風上に立っていたとしても、いつまで経っても音が聞こえてこないという事も起こりません。

ソニックブームは音源が音速に追いついた時に、音源の発した音が一枚の壁に当たったように重なり合って激しい衝撃波を発生する現象です。
音源の速度が音速に影響を与えるのであれば、どこまで加速しても永遠にソニックブームは発生しません。

音速を超えて飛ぶと戦闘機のエンジン音は聞こえない筈ですが、実際には聞こえます。
エンジン音が空中を伝わってくるのではなく、機体を伝わって来るためにパイロットや乗客にはエンジン音が聞こえるのです。
他の機のエンジン音が聞こえるのは、後ろにいる場合だけ、又は追い抜かれる時だけですが、いつも聞こえていると勘違いしていると思われます。

光に付いて、音源速＋音速や光源速＋光速という、プラスの場合しか論議されていませんが、光速で飛行するロケットから後方に向けて懐中電灯を照らすと懐中電灯の光は前に進めないのかという、光速マイナス光速を考えてみるのも面白いと思います。
これは、実際には光は発せられるらしいのですが、特殊相対性理論とかの難しいお話になるのかも知れません。

同じように、音源が音速で進行する時に、進行方向に対して音源速＋音速となるのであれば、音速で飛行する戦闘機の後方で静止している人には永遠にエンジン音は聞こえて来ないはずです。(後方に向ってはマイナスの作用が働き、懐中電灯の光と同じで音が後ろに進めないと考えた場合。実際には聞こえますが、こんな所も音と光の法則が近似していると感じられる部分なのかも知れません)

どなたかが、「変わらないような気がします」とか「体験した事が無い」等の人間の感覚は当てにならないと言っておられますが、私は違うと思います。

事前のシミュレーションや計算と実際の実験の結果が違っていたと言う事は過去にも度々あったと思います。
光速で起こる現象は全て頭の中や卓上で考えたり計算したりして導かれた仮説であって、誰も体験した事が無いですし、実際に実験する事も出来ません。
相対性理論や特殊相対性理論だって実際にテストは出来ませんので、相対性理論事態が正しいのかさえ誰にも証明は出来ません。

明確な答えはどこにも無く「体験した事が無い」ものは誰にも分からない、「変わらないような気がします」というファジーな感覚こそが質問者様の今回のご質問の回答に適合する答えなのではないかと思います。

変わらない気がする。
早くなるような気がする
似ているように思える。
これらの表現こそが、このご質問の回答として一番近い物なのでは無いかと思います。

cliomaxi · Answer

ちょっと手許の物理系の本を調べてみました。
で、ちょっと思ったのがやはり「ドップラー効果」

音にしろ光にしろドップラー効果が観測されます。
どちらも波長が観測者に対して接近している時は短くなり遠ざかっている時は長くなると言うのがあなたが音と光が類似しているのでは無いかと言う考えの元ですよね？

しかし音と光では決定的な違いが有ります。
音(波)はそれを伝える媒介(気体、液体、個体など)が必要ですが、光は波であり粒子であると言う事です。
Wikipediaのドップラー効果を調べても解るように音は観測者に対して速度が変化するのに対して光は変化しないことになっています。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%89%E3%83%83%E3%83%97%E3%83%A9%E3%83%BC%E5%8A%B9%E6%9E%9C

私も高校時代に物理を習い、その後ぼちぼちと趣味程度に書籍を読んでいる程度なので専門的に数式や理論を展開出来ませんが、この手の話を考える時に気に留めているのが「人間の感覚は当てにならない」と云うものです。
例えば時間は絶対的なものに感じますが、実は相対的なもの。
また、音や波が伝わるためには前述のように媒介が必要ですが、Wikipedia等で調べると光は「空間」を伝わると云うような表現がされています。
しかし、普通の人にはこの「空間」を感覚として気体等を無意識に連想している様に思うのです。
基準は飽くまで「光速度不変」と言うことです。

htms42 · Answer

＞ジェット機のコクピットに存在する空気は音速で動いていますからその媒質で発生した音は（を外部から観察すれば）音速プラス音速で動いて見えると考えられます。こう言う考えでも差し支えないですね。

６８０ｋｍ／ｓという相対速度は外部の空気中を振動が伝わる速さとジェット機の速さで考えた相対速度です。
コクピットの中の空気との相対速度ではありません。
コックピットの中の空気はジェット機と同じ速さで動いています。
「その媒質で発生した音」というのが「コックピット内の空気中での音」という意味であれば、観測者がどこにいるかが問題になります。
ジェット機の中の人が聞くのであれば全体（音源、空気、観測者）が同じ速さで動いていますから動いているという影響は出てきません。
観測者が外部にいて地面にたいして静止しているとしたらコックピット内で発した音を聞くことはできません。
外部にいる観測者が聞くことができるとすればジェット機から外部にたいして発射された振動です。
この場合、外部の空気は止まっていると考えられますから音源が動いている場合のドップラー効果になります。音速は変化しません。
ｆ＝ｆｏＶ／(Ｖ－ｖ)　　Ｖ　：音速、ｖ　：ジェット機の速さ（音の伝わる方向を正とする）

ｖ≧Ｖで使うことができなくなることが分かると思います。
音源が音速を超えた速さで近づいていれば音の振動数という意味がなくなります。
ｖ＝Ｖに相当する振動数は無限大ですがこれも意味を持ちません。ジェット機の出した振動が全部重なってしまって振幅のものすごく大きな波ができます。衝撃波と呼ばれているものです。
船の舳先が作る、三角形になった波は水面でできる衝撃波です。船の進む速さが水面を伝わる波の速さを超えた時にできます。お風呂の中で指を速く動かしてもできます。

＃４で相対速度で考えることができると書きました。
相対速度はあくまでも音源と空気、空気と観測者の間の関係です。
空気が動いているときに音速が変化するというのもの観測者に対して考えたものです。風の向きによって振動の伝わる速さは変わります。「風の向き」とは観測者に対して考えた向きです。

空気中を振動が伝わる速さは音源の運動にも観測者の運動にも関係しません。
空気という物質を間に挟んで考えていますので運動している物質と物質の間の関係です。
これは光とははっきり異なります。
音に関する限り古典的な運動の考えを当てはめることができます。

静止した音源から出た振動を音速で近づいている観測者が聞くという場合でしたら
振動数は２倍になります。（遠ざかっている場合は振動が観測者に届かないのですから音は聞こえません。）

＞猛烈な高速気流を発生する風洞の中で音を発生したら、流れの前後で音速は変るのかという質問です。流れの先では速くなるような気もします。

「流の先」というのが意味がよく分かりません。
風洞の外で空気の流れが遅くなっているところということであれば、もとの風洞の中での速さとは関係はありません。その場所での流の速さが音速に付け加わります。振動数の変化（ドップラー効果）は途中の速さではなくて耳に到達する振動の周期の変化で起こります。耳から離れたところで振動数が変わっているかも知れないということは無関係です。
粒子を加速しているというイメージを持ち込んでいるのではないでしょうか。
振動が伝わる速さです。ボールが飛んでいるのではありません。

cliomaxi · Answer

音速は光速のミニチュア版では無いかと言う質問ですよね？

>光速は光源の移動に関わらず一定であるという法則に近似していると思うのですがこれは間違った思考方法でしょうか？

光速度不変とは同じ慣性系のどこで観測しても同じと言う意味です。
音速程度なら単純な速度合成も出来ます。

>音源の移動と相対速度の問題を質問しています。

他の回答者への補足ですが、例えば音の発信源をA、観測者Bが音速のジェット機に乗っていると考えてみましょう。
面倒なので音速を340m/sと設定します。
A(340m/s)→
 　　　　　←B(340m/s)
こんな感じです。
これを速度合成の公式に当てはめると、相対速度は当然約680m/sになります。

今度は光速度を300000km/sとして
C(光速度)→
　　　　　←D(光速度)
と設定すると普通なら600000km/sと考えますが、速度合成の公式に当てはめるとやはり300000km/sにしかならないのです。

そもそも速度は光速度が基準です。
音速に光速との近似性、類似性等は無いのです。

それから「変わらないような気がします」とか「体験した事が無い」等の人間の感覚は当てにはなりませんよ。

※速度合成の公式はここでは上手く書けませんのでご了承下さい。

htms42 · Answer

風が吹いていれば音速は変わります。
空気は音（空気振動）を伝えている媒質です。媒質が動けば振動の伝わる速さも変わります。
ドップラー効果は音速に関係しますから振動数の変化は風の影響を受けます。
ただ、音源と観測者の相対速度がゼロであれば風の影響はありません。

ドップラー効果は音源、媒質、観測者の３つの相対的な運動によって変わってきます。
媒質の中を振動が伝わる速さは媒質の状態だけで決まります。
音源、観測者の運動には関係がありません。
音源の速さが媒質の中を振動が伝わる速さを超えてしまったような時は事情が変わってしまいます。

MVX250F001 · Answer

音は音速を超えることはありません（できません）

音速を超えて飛ぶ超音速の飛行機とかは、機外で自分が出した音を追い越してしまうので、エンジン音とか聞こえず静かです

飛行機の中は、媒質である空気も一緒に移動しているので、中の人は会話ができます
中の人にとっては、音は普通に音速で伝わっていますが、地上にいる人から見た場合は、音速以上で伝わっているかのように見えます

地上も、宇宙から見たら、地球が公転や自転しているので、音はものすごいスピードで伝わってるかのように見えますが、大気も地球と一緒に動いているので、地上の人には音速で伝わっています

つまり、音は、観測者の位置や速度でいかようにも速度が変わって見えてしまいます
媒質から見た場合は、常に音速です

光は、誰から見ても常に光速ですが

pbforce · Answer

音は空気中と水中では伝わる速度が違います。
光とはまた別のものです。

音速は音源の移動に無関係に一定なのでしょうか。

>光速で起こる現象は全て頭の中や卓上で考えたり計算したりして導かれた仮説であって、誰も体験した事が無いですし、実際に実験する事も出来ません。

気になる点が有りますので投稿させて頂きました。

ちょっと手許の物理系の本を調べてみました。

＞ジェット機のコクピットに存在する空気は音速で動いていますからその媒質で発生した音は（を外部から観察すれば）音速プラス音速で動いて見えると考えられます。

この回答への補足

音速は光速のミニチュア版では無いかと言う質問ですよね？

この回答への補足

風が吹いていれば音速は変わります。

この回答への補足

こんばんは、いや、既にお早うございますでしょうか？

音は音速を超えることはありません（できません）

この回答への補足

音は空気中と水中では伝わる速度が違います。

この回答への補足

似たような質問が見つかりました

このQ&Aを見た人はこんなQ&Aも見ています

関連するカテゴリからQ&Aを探す

このQ&Aを見た人がよく見るQ&A

デイリーランキングこのカテゴリの人気デイリーQ&Aランキング

マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング