音響共鳴
空気の管の共鳴は、管の長さ、その形状、端が閉じているか開いているかと関連する。多くの楽器は「円錐形」または「円筒形」の管と似ている(ボア (管楽器)を参照されたい)。一方の端が閉じ、もう一方の端が開いたパイプは「閉管」と呼ばれ、両端が開いたパイプは「開管」と呼ばれる。現代のオーケストラ・フルートは開いた円筒管として振る舞う。クラリネットは閉じた円筒管、サクソフォーン、オーボエ、ファゴットは閉じた円錐管として振る舞う。対して、ほとんどの現代のリープリード楽器(金管楽器)はわずかにずれのある閉じた円錐管と音響学的に似ている(ペダルトーンも参照)。弦のように、理想的な円錐管または円筒管内で振動している気柱も、多少の違いはあるものの、倍音での共鳴を持つ。
音響共鳴(おんきょうきょうめい、英: Acoustic resonance)は、音響システムが自らの固有振動周波数(その「共鳴周波数」)と一致する周波数の音波を増幅する現象である。
機械的共振(英語版)を人間の聴覚の周波数範囲に狭めるために「音響共鳴」(音響共振)という用語が使われることがあるが、音響学は物質の振動波に関する一般的な用語で定義されているため、人間の聴覚の範囲外の周波数でも音響共鳴は起こり得る。
音響的に共振する物体は通常、特に最も強い共鳴の高調波(倍音)において、2つ以上の共鳴周波数を持つ。物体はこれらの周波数で簡単に振動し、他の周波数ではあまり強く振動しない。それは、インパルスあるいは広帯域ノイズといった複雑な励振から共振周波数を「拾い出す」ことになる。実際には、その共鳴以外のすべての周波数をフィルタリングしている。
ヴァイオリンの弦や胴体、フルートの管の長さ、ドラムの膜の形状など、ほとんどのアコースティック楽器は共鳴装置を使用しているため、音響共鳴は楽器製作者にとって重要な考慮事項である。音響共鳴は、聴覚にとっても重要である。例えば、内耳の蝸牛の中にある基底膜と呼ばれる硬い構造物が共鳴することで、基底膜上の有毛細胞(英語版)が音を感知することができる(ほ乳類では、基底膜はその長さにわたって先細の共鳴を持っているため、一方の端に高周波数が集中し、もう一方の端に低周波数が集中する)。
機械的共振と同様に、音響共鳴は振動体の壊滅的な破壊を引き起こしうる。この古典的な例は、ワイングラスがその正確な共鳴周波数の音で割れる事例である。
いかなる円筒も複数の周波数で共鳴し、複数の音高を作り出す。最低周波数は基本周波数または第1倍音と呼ばれる。楽器として使われる円筒は(フルートのように)両端、あるいは(一部のオルガンパイプのように)一方の端が開いている。しかしながら、両端が閉じている円筒も音波を作り出すあるいは(ルーベンスチューブ(英語版)で見られるように)視覚化するために使うことができる。
円筒の共鳴特性は、空気中の音波の振る舞いを考えることによって理解できるかもしれない。音は縦(疎密)波として伝わり、伝わる方向に沿った空気分子の前後運動を引き起こす。管の内部では、定常波が形成され、その波長は管の長さに依存する。管の閉じた端では、空気分子はあまり動けないので、この端が定常波の変位節(英語版)(node)となる。管の開いた端では、空気分子は自由に動くことができ、変位波腹(antinode)を作り出す。変位説は圧力波腹であり、逆もまた同様である。