周波数
周波数（しゅうはすう）とは、周期的に繰り返される現象が1秒間に何回繰り返されるかを示す物理量である。波動学、電磁気学、音響学、電気工学、通信工学など、幅広い分野で用いられる。周波数の単位にはヘルツ（Hz）が用いられる。1Hzは1秒間に1回の周期的な変化が生じることを意味する。音波や電磁波、交流電流、機械振動など、周期性を持つ現象を定量的に表すために重要な概念である。
周波数の物理的定義と単位
物理学において、周波数は周期の逆数として定義される。1回の変化が完了して再び同じ状態に戻るまでの時間を周期Tとすると、周波数fは「f＝1/T」で表される。周期が短いほど周波数は高くなり、周期が長いほど低くなる。
周波数のSI単位はヘルツ（Hz）であり、1Hz＝1s⁻¹である。ヘルツはドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツにちなんで名付けられた。以前はサイクル毎秒（c/s）などの表記も用いられたが、現在はヘルツが標準的に使用されている。
音波における周波数と音の高さ
音は空気などの媒質中を伝わる波動であり、その周波数は人間が感じる音の高さと密接に関係している。一般に周波数が高いほど高い音として聞こえ、低いほど低い音として聞こえる。ただし、音の大きさは主として振幅によって決まり、音の高さとは異なる物理量である。
- 可聴域：健康な若年層の人間が聞き取れる周波数の範囲は、一般に約20Hzから20kHzとされる。ただし、聴力には個人差があり、加齢によって高い周波数が聞こえにくくなる。
- 超音波：一般に20kHzを超える周波数の音を超音波と呼ぶ。医療用超音波検査、魚群探知機、超音波洗浄などに利用されている。
- 低周波音：人間の可聴域に含まれる非常に低い周波数の音は、低周波音として扱われることがある。騒音評価や環境問題などで対象となる。
電磁波と周波数スペクトル
周波数は、無線通信や放送などで利用される電磁波の性質を表す重要な要素である。電磁波は周波数によって分類され、周波数が高くなるにつれて波長は短くなる。真空中では、周波数f、波長λ、光速cの間に「c＝fλ」の関係が成り立つ。
- 長波・中波：AMラジオ放送などに利用される。比較的低い周波数を持ち、電波の回折や地表波などによって遠距離まで伝わる性質を利用している。
- 短波・超短波（VHF）：短波放送やFMラジオ、テレビ放送などに利用される。特に短波は電離層による反射を利用して遠距離通信に用いられる。
- 極超短波（UHF）・マイクロ波：テレビ放送、携帯電話、無線LAN、衛星通信、レーダーなどに利用される。比較的高い周波数を持ち、直進性を利用した通信や計測に適している。
電気工学における周波数
電力インフラで使用される交流電源（AC）においても、周波数は重要な要素である。交流電圧や交流電流が1秒間に繰り返す周期の回数が電源周波数となる。交流発電機では、回転速度や極数によって発生する電圧の周波数が決まる。
日本の商用電源は、東日本を中心に50Hz、西日本を中心に60Hzが使用されている。この周波数の違いは、明治時代に導入された発電設備の仕様が異なっていたことに由来する。現在は周波数変換設備などによって東西間の電力融通が行われている。また、家電製品の中には50Hzと60Hzの両方に対応したものが多く、特にインバータを使用する機器では電源周波数の影響を受けにくい。
デジタル信号処理とサンプリング周波数
アナログ信号をデジタルデータに変換する際、1秒間に何回信号の値を取り出すかを示す値をサンプリング周波数という。単位にはHzが用いられ、例えば44.1kHzであれば、1秒間に44,100回の標本化を行う。
標本化定理によれば、帯域制限された信号を正しく復元するためには、信号に含まれる最高周波数の2倍を超えるサンプリング周波数が必要となる。例えば音楽CDでは、可聴域を考慮して44.1kHzのサンプリング周波数が採用されている。なお、サンプリングは標本化、信号の振幅を離散的な値に置き換える処理は量子化と呼ばれ、それぞれ異なる処理である。
周波数測定とスペクトル解析
複雑な信号を構成する周波数成分を調べることをスペクトル解析という。信号を時間領域から周波数領域へ変換する手法として、フーリエ変換や高速フーリエ変換（FFT）が広く用いられている。音響解析、振動診断、地震観測、通信信号の解析など、さまざまな分野で利用されている。
周波数の測定や波形の観測には、オシロスコープや周波数カウンタ、スペクトラムアナライザなどの計測器が使用される。これらを用いることで、信号の周波数、振幅、位相、ノイズなどを分析できる。
周波数の精度と標準電波
高度な情報通信や計測では、非常に高い周波数精度が求められる。日本では情報通信研究機構（NICT）が原子時計などを利用して日本の標準時や周波数標準を維持している。また、標準電波を送信することで、電波時計などの時刻合わせに利用されている。高精度な時刻・周波数標準は、通信システムや測位システムなどの基盤としても重要である。
共振現象と周波数
物体や機械構造物が持つ固有の周波数（固有振動数）と外部から加えられる振動の周波数が近づくと、振動の振幅が大きくなることがある。この現象を共振という。共振は機械や建築物の振動だけでなく、電気回路や音響機器などにも見られる。
周波数と固有振動数の関係は、機械設備や建築物の振動設計において重要である。外部から加わる振動と構造物の固有振動数が一致すると大きな振動が発生する可能性があるため、設計段階で固有振動数を把握し、必要に応じて構造や減衰特性を調整する。また、ラジオの選局では、受信回路の共振特性を利用して目的とする放送周波数の信号を選択している。
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