サーモホンのソースを表示

'''サーモホン'''（{{lang|en|''thermophone''}}）は電気信号を熱に変え音に変換する装置である。サーモホンの原理は19世紀頃から知られており、20世紀の初めごろには[[マイクロフォン]]の[[校正 (計測)|感度較正]]用に用いられた。その後しばらく忘れられていたが、[[カーボンナノチューブ]]などの新しい素材の発明に伴いシート状[[スピーカー]]などへの応用が研究されている<ref name="NS2008">{{Cite web
  | author = Colin Barras
  | title = Hot nanotube sheets produce music on demand
  | url = http://www.newscientist.com/article/dn15098
  | format = 
  | publisher = New Scientist
  | date = 2008-10-31
  | accessdate = 2011-02-01}}</ref>。

== 概要 ==
金属薄膜や金属細線などに電流を流すと熱が発生し周りの空気を膨張させるため、交流電流を流すと周期的な熱の変動による圧力の変化が周りに伝わり[[音波]]を発生させることができる。サーモホンはこのような原理で電気信号を音に変換する装置で、ダイナミックスピーカーなど通常の[[スピーカー]]で必要な[[振動板]]を持たず、[[電極]]とそれらの間の[[電気伝導体|導体]]（[[金]]や[[プラチナ]]の薄膜など）からなる単純な構造を持つ。

金属を使ったサーモホンは電気エネルギーを音に変換する効率が低く小さな音しか出ないためスピーカーなどの用途には使用されなかった<ref name="NS2008"></ref><ref name="Xiao2008">Lin Xiao, et. al. ''[http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl802750z Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers]''. NANO LETTERS, Vol.8, No.12. pp.539-4545, 2008.</ref>。構造が単純なため電気エネルギーと発生する音のエネルギーとの関係を理論的に計算することが可能で、[[マイクロフォン|コンデンサマイク]]などの絶対感度の[[校正 (計測)|校正]]のために使用された<ref name="Wente1922">Edward C. Wente. ''[http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.19.333 The Thermophone]'', Phys. Rev. 19, pp.333–345, 1922.</ref><ref name="Arnold1917">H. D. Arnold, I. B. Crandall. ''[http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.10.22 The Thermophone as a Precision Source of Sound]''. Phys. Rev. 10, pp.22–38, 1917.</ref>。

== 詳細 ==
サーモホンが発生する音のエネルギーは電気信号による熱エネルギーにほぼ比例する。導体に流れる電流を ''I'' = I<sub>1</sub>sin(ωt) 、導体の抵抗を ''R'' とすると熱エネルギー ''P'' は以下のように表現できる。

:<math>P = R I^2 = \frac{R {I_1}^2}{2} \left( 1- cos(2 \omega t)\right)</math>

そのままでは入力信号の2倍の周波数 2ωt が発生してしまうため、このような成分が無視できるような適正な量の直流電流 ''I<sub>0</sub>'' を信号に重複して使用する。
:<math>P =  R (I_0 + I_1 sin(\omega t))^2 = R \left(I_0 +  \frac{{I_1}^2}{2} \right) + 2 R I_0 I_1 sin(\omega t) - \frac{R {I_1}^2}{2} cos(2 \omega t)</math>

最後の項が無視できるような ''I<sub>0</sub>'' の範囲内で、音のエネルギーはこの式の2番目の項 ''2RI<sub>0</sub>I<sub>1</sub>sin(ωt)'' にほぼ比例する。[[音圧]]は使用する導体の特性である[[熱容量]]や表面積、周りの気体の[[熱伝導率]]などにより決まる<ref name="Wente1922"></ref>。

性能の良いサーモホンに必要な導体の特性は以下の通りである<ref name="Xiao2008"></ref><ref name="Arnold1917"></ref>。
* [[熱容量]]が小さい
* 内部で発生した熱が表面に素早く伝わる

1920年頃にはこれらの条件を満たす 10<sup>-5</sup>cm～10<sup>-6</sup>cm 程度の厚さの非常に薄い[[プラチナ]]や[[金]]の薄膜が用いられた<ref name="Wente1922"></ref>。当時としては最も優れた特性を持つ導体だったがこれでも十分な音圧を発生できず、サーモホンは校正用や計測用以外の用途にはほとんど使われなかった。

その後、より優れた特性を持つ様々な新素材が発明されたため、単位面積当たりの熱容量が非常に小さい[[カーボンナノチューブ]]シートを導体として使いシート状のラウドスピーカなどに応用する研究や、振動板が不要で高い周波数を扱いやすい特性を生かしサーモホンを[[超音波]]発生装置に応用する研究などが行われている<ref name="Xiao2008"></ref><ref name="Shinoda1999">H. Shinoda, T. Nakajima, K. Ueno, N. Koshida. ''[http://www.alab.t.u-tokyo.ac.jp/~shino/research/pdf/Thrmlly_indcd_ultrsnc_emssn_prs_slcn.pdf Thermally induced ultrasonic emission fromporous silicon]''(pdf). NATURE, Vol.400, pp.853-855, August, 1999.</ref>。

== 歴史 ==
金属の細線や薄膜に交流電流を流すと熱により音が発生することは1880年にイギリス中央郵便局の主任エンジニアだったプリース（William Henry Preece）が、さらに1898年に[[ブラウン管]]の発明で有名なドイツの物理学者[[フェルディナント・ブラウン|ブラウン]]（Karl Ferdinand Braun）が発表している<ref name="Preece1880">William H. Preece. ''[http://www.jstor.org/pss/113596 On Some Thermal Effects of Electric Currents]''. Proc. Royal Society of London. vol.30, pp.408-411, 1880.</ref><ref  name="Braun1898">[[フェルディナント・ブラウン|F. Braun]]. ''[http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k153068/f370 Notiz über die Thermophonie]'', Annalen der Physik, Bd.65, pp.358-360, 1898.</ref><ref name="OtonoRekishi">早坂寿雄. ''音の歴史''. 電子情報通信学会, pp.110-124, 1989.</ref>。
ロシアなどでもサーモホンの改良のための研究が行われた<ref name="Lange1915">P. de Lange. ''[http://www.jstor.org/stable/93444 On Thermophones]''. Proc. Royal Society of London. vol.91, No. 628, pp.239-241, 1915.</ref>。

これらと並行して[[グラハム・ベル]]による発明（1876）から始まった電話機の普及に伴い、電話機の改良のための様々な研究とその基礎となる人の[[聴覚心理学]]的な特性（[[最小可聴値]]や[[等ラウドネス曲線|ラウドネス特性]]）、[[明瞭度]]と[[了解度]]に関する研究などが必要になってきた。
これらの研究のためには音響の測定技術が必要になるが、当時は音圧を精密に測定する手段や感度のわかった測定用マイクロフォンが存在しなかった。

1917年、アメリカの[[AT&T]]研究所（後の[[ベル研究所]]）のアーノルド（H. D. Arnold）とクランドル（I. B. Crandall）はサーモホンに与える電力と発生する絶対音圧との関係を理論的に求め、ある程度の仮定の下でサーモフォンが正確な音圧の発生装置として使用できることを示した<ref name="Arnold1917"></ref>。同じ研究所のウェンテ（Edward Wente）は1917年に特性の優れた[[コンデンサマイク]]を初めて実用化し、サーモフォンを1次標準器として使い絶対感度の校正に利用した<ref name="Wente1922"></ref>。このような技術により測定用コンデンサマイク（たとえば[[Western Electric]]社のWE-394型コンデンサマイク）が作成され、[[最小可聴値]]の測定など様々な実験で使用された<ref name="Fletcher1922PNAS">H. Fletcher, R. L. Wegel. ''[http://www.pnas.org/content/8/1/5 The Frequency—Sensitivity of Normal Ears]'', [[米国科学アカデミー紀要|Proc. NAS]], vol.8, no.1, pp.5-6.2, Jan. 1922.</ref><ref name="Fletcher1922">H. Fletcher, R. L. Wegel. ''[http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.19.553 The Frequency—Sensitivity of Normal Ears]'', Phys. Rev. 19, pp.553-565, 1922.</ref>。

その後、[[振動計|バイブロメータ]]と呼ばれるより優れた校正用機器が発明され、さらに1940年代には[[相互校正法]]（reciprocity calibration）と呼ばれる1次標準器を使わないコンデンサマイクの絶対感度校正法が発明されたことにより<ref name="OtonoRekishi"></ref>、感度較正用としてのサーモフォンは使われなくなりその後しばらく忘れられていた。

== 脚注 ==
{{reflist|2}}

== 参考文献 ==
* Lin Xiao, et. al. ''[http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl802750z Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers]''. NANO LETTERS, Vol.8, No.12. pp.539-4545, 2008.
* 早坂寿雄. ''音の歴史'', 電子情報通信学会, 1989. ISBN 4885520843.

== 関連項目 ==
* [[スピーカー]]
* [[電気音響工学]]

== 外部リンク ==
* [http://www.newscientist.com/article/dn15098 Hot nanotube sheets produce music on demand] - [[ニュー・サイエンティスト]]の記事（英語）

{{DEFAULTSORT:さあもほん}}
[[Category:音響工学]]
[[Category:スピーカー]]