超高周波を含む空気振動の曝露に対する身体応答： 知覚－行為循環の観点から

超高周波を含む空気振動の曝露に対する身体応答： 知覚－行為循環の観点から

本研究は可聴域外の空気振動が無自覚的な生体活動に対する影響を明らかにすることを目的と した．予備実験では，可聴域上限以上の空気振動（超音波）を含む自然環境音を聴取している際の 人の耳周辺の血流量を解析した．その結果，超音波付加時には血流量の速度に変化が認められ，超 音波が生体活動へ影響することが示唆された．そこで，次の実験では，心拍変動解析及び皮膚表面 温度解析結果を超音波付加の有無で比較した．その結果，超音波が可聴音に重畳すると，皮膚表面 温度が上昇すること，自律神経系の均衡の指標とされる値の変動パターンに特徴的な傾向が現れる ことが認められた．これらを元に，自然界に存在する空気振動を知覚することが自覚的及び無自覚 的な行為調整に果たす役割について議論する．

1 はじめに

我々を取り囲む環境は，空気振動により満たされている．それが包囲音となるためには，音 源からの空気振動が直接耳に到達するだけでなく，陸上であれば地面，建築物，そして，樹木 や水たまりなどにより反射吸収され，聴取者が存在する場所に特有の音場特性を構成しなけれ ばならない．おそらく，可聴音帯域のみから構成される包囲音は人工的な環境下のみであろう． 一般的に人の生活環境下では，可聴帯域限より上の超音波帯域，下の超低周波帯域も含まれて いる．これら可聴音以外の空気振動が人の知覚における役割については生態心理学的にあまり 議論されてこなかった． 近年，音響学の分野では家電製品の急速な進歩と電化製品の普及により，日常生活において 家電製品などが発する VHF の騒音被害についての検討がなされている．VHF とは 16kHz か ら 32kHz にわたる可聴上限前後の帯域の空気振動であり，聴覚の鋭敏な若年者には聞こえる 者もいるとされ，人工的な VHF が人体に及ぼす影響に関する研究が盛んに行われてきている （Fletcher et al., 2018; Leighton et al., 2020）． 一方，自然事象由来の超音波・非可聴音空気振動が身心に及ぼす肯定的な効果を見出そうと する研究の知見を概観すると，超音波音を含む自然音や楽音を提示された人の脳内深部の血流 量が増加すること，脳波α波が相対的に増加すること（Fukushima et al., 2014; Oohashi et al., 2000; 仁科・大橋, 2005），超音波を付加した可聴音は中枢神経系の活性のみならず，音の質感（聴覚印象）を肯定的に変容させること（伊藤・木村, 2010; 森ら, 2020），健常高齢者の気 分向上，意欲的な活動の増加に好影響を及ぼすこと（岡田ら 2020）などが見出されてきてい る．とはいえ，このような超音波空気振動の効果を裏付けるようなメカニズムの解明には未だ 至っていない．もし，ハイパーソニックエフェクト（HSE：大橋, 2017）が生じていれば，中 枢神経系の深部のみならず，毛細血管血流量の増大，自律神経系の変容などにも反映され，交 感神経の優位な状況は生じにくいであろう．VHF 研究の知見から推測するならば，超音波が 不快であれば交感神経系優位となるであろう．これらは毛細血管血流量の変化により，末梢血 管血流量，末梢皮膚表面温度，そして，心拍変動揺らぎに反映されると想定される．そこで我々 は，可聴音上限を超える超音波空気振動が可聴音とともに付加される条件下で空気振動が生体 反応をどのように変容するかを明らかにする．本稿ではその予備的実験結果を報告する．

2 実験

超音波付加による毛細血管血流量の変化について予備的検討を行った．

実験参加者は，2 名の成人男性，1 名の成人女性とした．以下，実験参加者を A，B，C と表 記する．空気振動刺激として，可聴音は自然環境音を，超音波音はコウモリの鳴音から超音波 を取り出して使用した．実験手続きは，可聴音のみを提示した後，超音波を付加した刺激を提 示した．また，生体反応指標として，毛細血管内血流への影響を調べるため，耳朶部にレイザ ードップラー血流計（Pioneer, RBF-101）を使用した．

可聴音条件に比して，超音波付加条件のほうが耳朶血流量が増加することが認められた．計 測された血流量とその変化量の時間波形を Figure １に示す．血流量が一拍ごとに極小値に至 Figure １．血流量の時間波形例 Figure ２．血流変化量の FFT の例 150 伊藤精英・丸尾海月・沢田護 る波形に着目すると，超音波付加条件では可聴音条件に比べて振幅が大きい．血流量の単位時 間あたりの変化量（すなわち血流速度）の時系列データを求め，その周波数解析（FFT）を行 った．その結果の一例を Figure ２に示す． 3 名に共通していることとして，可聴音条件に比較して超音波付加条件のほうが血流変化量 のパワーが小さくなっていることが挙げられる．これは，血液の粘性にもかかわらず滞りなく， かつ安定した速度で流れていることが推測される．つまり，血管が拡張し，血液がスムーズに 流れていると考えられる．血圧は測定していないので断定はできないものの，超音波を含んだ 空気振動に人が曝露されたことにより血圧に変化が生じたことが示唆される．

3 実験

超音波を付加した空気振動が心拍揺らぎ及び皮膚温度に与える影響を検討した。

音提示システムを Figure ３に，刺激提示状況を Figure ４に示す．可聴音と超音波が干渉 することで混変調ゆがみが生じて出力する空気振動の質的変化が生じないようにするために， 可聴音および超音波を個別の経路で提示した．パソコン（PC）から USB ケーブルでオーディ オインタフェース（Audio I/F, Steinberg, AXR4U）に入力し，オーディオアンプ（AMP，Acuphase, E280E）で増幅後，可聴音用スピーカ（SP, KEF, Q150），超音波用スーパーツイータ （SSP, Murata, ES-103）に送られ，ステレオ提示された．聴取者はゆったりした椅子に座り， スピーカ及びスーパーツイータから出力される空気振動に曝露された．スピーカ・スーパーツ イータから聴取者までの距離は 1m とした．空気振動の圧力レベルは聴取点での測定により， ホワイトノイズを使用した場合，可聴音圧は F 特性において，64.2dBSPL，超音波レベルは 67.5dBSPL であった．これは，超音波が人体に被害を与えるとされるガイドライン（Fletcheret al., 2018; Leighton et al., 2020）で示されている 100dB あまりより低い音圧レベルであり， 人体に有害はないと判断した．

可聴音は，島村・山崎（2009）が脳波を指標にした先行研究で使用したグラスハープの音楽 を採用した．超音波空気振動は，30kHz から 90kHz 帯域のピンクノイズから生成した断続的 なクリックス列であった．

実験の流れを Figure ５にまとめた．音提示条件 A とは可聴音のみを提示する条件，音提示 条件 B とは可聴音に超音波を付加した条件である．以下，音提示条件 A を可聴音条件，音提 示条件 B を超音波付加条件と記述する．3 名ともに AB，BA の 2 試行を別の日に実施した． 試行中，交感神経優位とすること，睡眠状態に入らないようにするために立位を挿入した．

先行研究（矢田, 2021; 廣田, 1997）を元に，自律神経系の優位性を推定するために，前額部 及び鼻頂部の表面皮膚温度をグラム社製 LT-2A により測定した．サンプリング周波数は 1Hz とした．交感神経，副交感神経のバランスを推定するために心電位を記録し，それより心拍変 動解析を実施した．心電位の測定には AffordSENS 社製の Vitalgram を使用した．サンプリン グ周波数は 128Hz であった．

結果と考察

可聴音条件及び超音波付加条件について，提示されたグラスハープの楽曲に対する聴覚印象 を口答で質問した．3 名とも，可聴音条件に比して超音波付加条件の方が①音楽全体に左右の 広がりが出ること，②可聴音のみでは不快になるような擦音が気になったが超音波が付加され ると不快さが解消されたこと，③細かい音の変化が聞き取れるようになったことなどを挙げて いた．超音波帯域空気振動のみでは聴取点からは聞き取れないことを確認しており，これは， 加齢により聴力が低下した高齢者に対する超音波の同様の結果（岡田ら, 2020）とも整合する．

RRI を元に LF（低周波成分）と HF（高周波成分）を求め，その比（LF/HF）を交感神経亢 進の程度の指標とした．心拍変動解析は 5 分間の RRI データを元に 30 秒ずつシフトして出力 される値を用いた．各条件ごとで 30 秒ごとに算出した LF/HF 値の推移を Figure ６に示す．

LF 成分と HF 成分の比を時間経過で見てみる．可聴音条件では，開始後 60 秒までは A， B，C ともに値が上昇傾向であった．その後高い値を示した後，300～540 秒にかけて下降に転 じ，その後は同じような値を推移するか，やや上昇した．一方，超音波付加条件では，開始後 60 秒までの区間において LF/HF の値は B1 以外は下降傾向であった．60～360 秒まででは可 聴音条件のような高い値がすべての試行で見られず，180～540 秒にかけて，A1，B1，C1 は 下降傾向，A2，B2，C2 は上昇傾向が認められた． 可聴音条件→超音波付加条件の試行（AB 試行）の場合，超音波付加条件は 540 秒前後が LF/HF の最低値となっているが，可聴音条件ではそのような傾向が認められず，ばらつきが 大きかった．一方，超音波付加条件→可聴音条件の試行（BA 試行）の場合，超音波付加条件 では 180～300 秒あたりが最低値であるが，可聴音条件では AB 試行と同様にばらつきが大き かった．LF/HF が最低値を示した後はやや上昇傾向を伴った上下動を繰り返す．いわば「揺 らぎモード」のように見えた．AB 試行および BA 試行の全体的な推移を見てみると，Figure ６のように可聴音条件に比べて超音波付加条件のほうが実験参加者の LF/HF 値のばらつきが 少なく，狭い範囲でまとまる傾向にあった．条件開始後 30 秒および 360 秒までの LF/HF の 値の推移から，超音波を付加すると，交感神経の活性度が低下すること，楽曲聴取による交感 神経系の活性化の個人差も少なくなることが示唆された

前額部の体表面温度は比較的恒常的であるのに対して，鼻部は自律神経系の影響を受けやす いとされている（矢田, 2021）ことから，環境温度変化を考慮し表面皮膚温度の指標を次のよ うに求めた．

可聴音及び超音波付加の各条件ごとの皮膚温度比の推移を Figure ７に示す．

可聴音条件，超音波付加条件ともに皮膚温度比は，音刺激提示開始後約 60 秒までは低下傾 向を示すが，これは暗騒音から音刺激が提示されるという音環境変化によって交感神経優位と なるという知見（Graham, 1979）の現れと考えられる．60 秒以後，超音波付加条件では上下 動を繰り返しながらの上昇傾向となり副交感神経が活性化するのに対し，可聴音条件では下降 傾向となり交感神経が活性化していることが推測される．言い換えれば，可聴音のみに曝露さ れると軽い緊張・ストレス状態が維持されるのに対し，超音波が付加された空気振動に曝露さ れると，冒頭 60 秒は交感神経が亢進傾向になるものの，超音波空気振動の影響を受けて，そ れ以後は交感神経の活動が低下し，弛緩・リラックス状態へ移行する傾向が示唆された．

超音波空気振動が知覚と生体活動に及ぼすメカニズム：知覚的定位と基礎定位 のシステム

実験参加者の内省報告によると，可聴音提示条件では，15 分間の楽曲提示の前半部ではグ ラスハープの擦音が耳障りであったのに対して，超音波付加条件では不快感が緩和されたとい う．このような知覚的経験の違いが超音波空気振動に曝露されたことに起因するとすれば，生 体反応にもこの種の影響が反映されることは当然と言える．では，このような非可聴域の空気 振動が楽曲への聴覚印象，生体反応にどのように影響したのであろうか． Ito & Sawada（2019）は，ダミーヘッドの耳に可聴音のみを記録可能なバイノーラルマイク （デジタルフィルターのカットオフ周波数は 20kHz）を装着し，超音波を付加した楽曲音と可 聴帯域のみの楽曲音を録音し，それらを別室の聴取者が試聴した結果，超音波付加提示音のほ うが試聴印象は良好になると報告している．使用したバイノーラルマイクでは超音波領域を録 音できていないので，気導伝播によってマイクロフォンに入力されたとは考えにくい．むしろ，超音波はダミーヘッドの表面の素材を介することで周波数変調などによりマイクロフォンに 記録されたと推測される．同様の伝播過程が人体にも当てはまるとすれば，皮膚表面が超音波 空気振動を伝播し，聴覚印象を変化させたと仮定される．皮膚表面のみならず，人の筋骨格系 は空気振動と同時に地球上の重力に常に曝露されている．この意味で，皮膚表面を含めた身体 全体は基礎定位システムでも重要な役割を担っていると見なしうる． 戸塚ら（2010）は支持面となる座面・背面形状により基礎定位が異なることを指摘している． そこで，我々は前述の超音波付加条件に支持面となる座面・背面を操作して基礎定位を変化さ せた際の聴取特性を検討した．実験手続きでは基礎定位を変化させるために 2 条件の座位を 設定した．聴取者は座位でバイノーラルマイクロフォンを装着し，スピーカから出力される可 聴帯域であるピンクノイズを録音した．さらに，楽曲を試聴し，その聴覚印象を口頭で求めた． Figure 8 に，録音された音を FFT 分析した結果を支持シート有無の座位条件ごとに示す．

Figure 8 を見ると，支持シートの有無で 1kHz 以上の帯域のパワー分布が異なっていた．内 省報告によると，支持シートありのほうが，なしに比べて再生される音場が広くなり，楽曲が 聴き取りやすくなること，意識が覚醒することが挙げられた．これらのことから，人が支持シ ートを介して椅子に座位をとる場合，基礎定位が変化し，それが耳に装着したマイクロフォン により集音された音に反映したと示唆される． 今回の予備実験では座位姿勢を調整し，2 条件の基礎定位を設定するために，新たに作製し た発泡ウレタン製の支持シートを用いた．詳細は他の紙面に譲るが，この支持シートは座面と 背面からなり，座面は骨盤を支持し重力軸に対する安定性を高め，背面は肋骨を支持し呼吸に 伴う自然な肋骨の拳上・降下運動を実現する．これらにより座位の調整効果が示唆されたこと は，基礎定位の違いによる生体活動の改善によって聴覚としての情報ピックアップが緻密化さ れる「内在性」の存在を示唆している．基礎定位システムは聴覚システムの情報ピックアップ に関与し，ちょうど触運動の情報が，皮膚表面が媒質となった触対象と自己運動とを同時に特 定するように，環境と身体の境界面である皮膚表面全体がアフォーダンスを知覚する感覚の特 別な結合要素（佐々木, 2002）であり，生体活動が皮膚表面全体を特別な結合に導く「構え」 あるいは「注意のモード」に導く役割を担っていることが推察される． つまり，環境にある超音波を含む空気振動が生体活動・聴知覚を変化させる「外在性」のある媒質あるいは「外部特定的」情報の源となり，基礎定位が生体活動や聴知覚の方向性を導く ための「内部特定的」情報をピックアップする定位（orientation）という枠組みを提供するこ とが仮定される．この仮説を元に，今後は，音と重力の多重性に関する検証を行っていく．