キロヘルツからテラヘルツへの換算

キロヘルツ（kHz）について

キロヘルツは、1000 ヘルツ にあたる振動数の単位です。記号は kHz です。人の聴覚の上のほうと、電波の周波数帯のいちばん下のほうを覆っており、そのためまったく異なる二つの技術が出会う場所になっています。

音がここに住んでいます。若い人の聴覚の上限はおよそ 20 キロヘルツ で、話し言葉の聞き取りやすさを支える周波数は 1 から 4 キロヘルツ のあたりに集まります。デジタル音声は、コンパクトディスクでは 44.1 キロヘルツ、映像の作業では 48 キロヘルツ で標本化されます。これらの値が選ばれたのは、標本化定理が、再現したい最高周波数の 2 倍を超える速さを要求するからで、そこに濾波のための余裕が足されています。

放送はこの範囲から始まりました。長波は 148 から 283 キロヘルツ、中波すなわち AM 帯は 526 から 1606 キロヘルツ です。これら低い周波数は地表に沿って伝わり、夜間は電離層で反射するため、1 つの送信所から数百から数千 キロメートル に届きます。だからこそ最初の全国放送を担い、今日でも海上と航空の航行用ビーコンに使われています。

潜水艦との通信は、さらに低い周波数を使います。海水が電波のエネルギーを吸収し、数 キロヘルツ 以下の信号でなければ数メートルより深くは届かないからです。海軍の超長波送信所が巨大な空中線群を占めているのはこのためで、その分だけ伝送できる情報量はごくわずかになります。

医用画像の超音波は可聴域よりはるかに上、メガヘルツ の領域にありますが、工業用の超音波洗浄や動物よけの装置は 20 から 80 キロヘルツ で働きます。人に聞こえる範囲のすぐ上です。コウモリの反響定位も同じ領域にあり、およそ 20 から 100 キロヘルツ をはるかに超えるところまで及びます。

古い計算機のクロック周波数は キロヘルツ でした。初代 Apple II の処理装置は 1 メガヘルツ 強で動きましたが、最初期のマイクロプロセッサーや多くのマイクロコントローラーは、速さより低消費電力が大事な場面で、いまも数百 キロヘルツ で動いています。

電子 の 音 は、この 範囲 の 特定 の数値を 日常 に持ち込みました。コンパクト ディスク は 44.1 キロヘルツ で 標本 を採ります。標本 の 定理 が、再生 したい いちばん 高い 周波 数 の 二 倍 より 上 を求め、20 キロヘルツ の 二 倍 が、それ より 上 を取り除く 濾波 器 に 余裕 を残すからです。仕事 として の 録音 は 映像 に合わせて 48 キロヘルツ を、仕上げ に 96 や 192 を よく 用います。電話 は はるか に 下 にあり、8 キロヘルツ で 標本 を採り、およそ 3.4 より 上 を切ります。ふつう の 電話 の 線 の 声 が、s と f を 聞き分け やすく する 擦れ の 音 を失う のはそのためです。

1 キロヘルツ は、1000 ヘルツ、0.001 メガヘルツ、1 ギガヘルツ の 100 万分の 1 に等しくなります。

テラヘルツ（THz）について

テラヘルツは、1 兆 ヘルツ にあたる振動数の単位です。記号は THz です。もっとも高い電波と、もっとも低い赤外線とのあいだの隙間を占めており、この領域は 20 世紀の大半を通じて、発生させることも検出することも難しかったため、テラヘルツギャップ と呼ばれてきました。

難しさは理論のものではなく実際上のものでした。電子式の発振器は数百 ギガヘルツ を超えると力尽きます。電荷を担う粒子が十分な速さで応じられないからです。一方、レーザーのような光の源は、赤外線より下では効率が落ちます。そのあいだの帯域には、どちらの側にも扱いやすい技術がなく、何十年ものあいだ、電磁波の帯のなかでもっとも調べられていない部分でした。

これを変えたのが、超高速のレーザーと光伝導アンテナです。数フェムト秒しか続かないレーザーのパルスを半導体に当てて、テラヘルツ のパルスを生み出します。いまでは テラヘルツ 時間領域分光法が、この帯域全体にわたる材料の応答を測っており、この手法は材料科学の標準的な道具になりました。

もっともよく知られた用途は保安検査です。テラヘルツ の放射は衣服、紙、樹脂、陶磁器を通り抜けますが、金属には遮られ、水には吸収されます。しかも光子 1 個あたりのエネルギーは、何かを電離させるにはあまりに小さいため、エックス線のような危険を伴わずに、隠された物を映し出せます。空港の身体検査装置はこの原理で働きます。

分子分光学がこの帯域を使うのは、多くの大きな分子がここに回転と振動の状態をもつからです。爆発物や薬物は テラヘルツ の特徴的な指紋を示し、この手法は製薬の品質管理で、ほかの方法では見分けのつかない結晶形を識別するのに使われます。美術品の保存は、画布に触れずに絵具の層の下を見るためにこれを用います。

天文学は、標高が高く乾いた場所か、あるいは軌道上からこの周波数を観測します。大気中の水蒸気が テラヘルツ の放射を強く吸収するからです。星が生まれる領域の冷たい塵と分子ガスはここで放射しており、チリの高地や南極点に観測所が築かれているのはそのためです。

通信 の 研究 は、この 帯 に 入り はじめました。資料 の 速さ は 使える 帯域 の 幅 とともに 増え、100 ギガヘルツ の 上 には その 下 より はるか に 広い 場所 が あります。ですから 実験 室 は、1 テラヘルツ に近い 周波 数 で 毎秒 数百 ギガビット を運ぶ 無線 の 経路 を示してきました。妨げ は、水 の 蒸気 が この 波 を 強く 吸う こと です。晴れた 空気 でも 数百 メートル、雨 なら はるか に 短い 距離 に 経路 が 限られます。それ が この 技術 を 短い 跳躍 に とどめます。屋上 の 空中 線 どうし の つなぎ、資料 の 中心 の 内側 の 経路、あるいは 街灯 から 建物 まで の 最後 の 一 区間 であって、放送 に似た もの ではありません。

1 テラヘルツ は、1 兆 ヘルツ、1000 ギガヘルツ、およそ 0.3 ミリメートル の波長に等しくなります。