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音楽音響 / 日本音響学会 編
日本音響学会 編
コロナ社
2023年03月

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■e_itemが扱う電気電子工学関連書籍
電気工学(でんきこうがく、英: electrical engineering)は、電気や磁気、光(電磁波)の研究や応用を取り扱う工学分野です。電気磁気現象が広汎な応用範囲を持つ根源的な現象であるため、通信工学、電子工学をはじめ、派生した技術でそれぞれまた学問分野を形成しています。電気の特徴として「エネルギーの輸送手段」としても「情報の伝達媒体」としても大変有用であることが挙げられます。この観点から、前者を「強電」、後者を「弱電」と二分されます。
電子工学(でんしこうがく、英: electronics)は、電気工学の一部ないし隣接分野です。
様々な領域の範囲にまたがるものであるため定義は緩やかですが、概ね電子の真空中や固体物質中の挙動から生じる現象を工学的に利用するものと言えます。これらは電子デバイスと呼ばれ、例えば次のようなものです。
・半導体素子または電子管等による能動素子で構成される増幅動作(回路)またはスイッチング動作(回路)
 スイッチング動作から論理演算回路に関する領域が発展しました。
・メーザー、レーザーの高周波発振
・プラズマの利用
・電気磁気現象による情報記録も、論理演算のデジタル情報記録と磁気記録素子の微細化により電子工学の領域と認識されるようになりました。
・超伝導材料、ジョセフソン素子
・ブラウン管・液晶・プラズマによる表示装置
・量子コンピューターに用いられる量子演算素子
通信、信号処理、電子計算機による情報処理、制御、計測など、応用分野を技術的に担保する技術分野です。
電気工学と関連分野
電気工学の源流は基礎理論としての電気回路学と実用としての電力工学です。次に情報の伝達の観点から通信工学が派生します。通信工学の発展の過程で増幅器、高周波発振のための真空管が発達し、1940年ごろの半導体による固体増幅素子の発明があり電子工学が生まれます。電子工学の利用方法として論理演算の機械化が可能になり、ここからコンピュータを利用した情報工学が起こります。また電気回路学の周波数応答の研究から、制御工学が派生しています。
電力工学
電力工学は、電気のエネルギーとしての利用に関する工学です。エネルギーの発生としての発電と電力流通としての送電が2大テーマで、高電圧・大電流に耐えうる電力回路、絶縁体などの電気材料について取り扱います。変圧器、発電機、発動機、高電圧工学、パワーエレクトロニクスなどを含みます。多くの国では、発電・送電・配電の電力網を政府が維持管理しています。利用者は電力網からエネルギーを購入でき、自前で発電するコストを抑えることができます。電力工学者は電力網および電力網に接続する電力システムの設計や保守を研究しています。電力システムは電力網に電力を供給するものと電力網から電力を引き出すものがあります(あるいは、両方同時に行うものもあります)。電力網に接続しない電力システムも研究対象です。リアルタイムのフィードバックにより電力需要の急増に対応し停電を防ぐ人工衛星制御の電力システムなどが今後の研究課題です。
通信工学
情報通信に関する分野で、電気通信、電磁気学があります。情報を一地点から別な地点に送るためには、同軸ケーブル、光ケーブルや自由空間などの伝送路を必要とします。これら伝送路はマクスウェルの方程式をはじめとする電磁気学の法則を用いて正確に記述することができます。自由空間での通信の場合、伝送に適した搬送周波数に情報を変換した搬送波の形にする必要があり、それを変調と呼びます。変調方式には振幅変調、周波数変調などの技法があります。変調方式によってシステムのコストと性能は異なり、両者のバランスを工学者や技術者が注意深く調整します。
システムの伝送特性が決まると、次に送信機と受信機の設計を行います。送信と受信の機能を兼ね備えた機器をトランシーバーと呼びます。送信機の設計にあたっては、電力消費が信号強度と密接に関連している点が重要です。送信機の信号強度が不十分な場合、雑音によって情報が失われることになります。
無線工学
通信工学の一分野として無線通信を対象とする無線工学があります。電磁気学の応用としてアンテナの指向性、利得に関する研究が主要テーマです。
電子工学
真空中、固体中や電界中、磁界中などにおける電子のふるまいを解明、理論化し、またそれをもとに、種々の電子素子、装置などの制御を行う技術。抵抗器、キャパシタ、インダクタ、トランジスタ、ダイオード、その他の半導体素子などの電子回路素子モデルをつくります。このモデルを使う目的は、回路のシミュレーションを行うためであり、その部分的な回路を組み合わせて大規模な回路を作り上げることができます。
第二次世界大戦以前は、電子工学は無線工学とほぼ同義で、応用範囲は電気通信やレーダー、ラジオ、初期のテレビなどに限られていました。戦後、民生用電子機器が開発されるようになり、テレビ、音響機器、コンピュータ、マイクロプロセッサなどの開発と共に電子工学も発展していきました。1950年代末には無線工学と電子工学は完全に別の分野と認識されるようになりました。
1959年の集積回路の発明以前、電子回路は個別の部品を組み合わせて構築されていました。当然ながら回路の実装に要する空間も電力も大きく、動作速度は遅かったです。それでも、今もそのような回路実装の用途があります。一方集積回路はトランジスタを中心とした微小な電子部品をひとまとめにして、小さなチップ内に回路を構成します。これによってコンピュータなどの電子機器の性能が向上していきました。
半導体工学
半導体素子の微細化の絶え間ない進展は、VLSI製造プロセスの発展をもたらし、完全なシステムをひとつのチップに実装する技術を実現しました。マイクロプロセッサはこの進展の成果で、コンピュータ工学の関連分野とかかわります。
材質に着目すると「半導体工学」ですが、製造技術に着目すると「マイクロエレクトロニクス」と呼ばれます。これらはほぼ同義ですが、マイクロエレクトロニクスは必ずしも半導体集積回路に限定されません。
シリコンなどの半導体ウェハーを化学的に製造する技術を含み、化学や材料工学と密接に関連します。また、微細な設計にあたっては量子力学的知識も要求されます。
光エレクトロニクス
電子(電気)と光子(光)の両方を取り扱う電子工学の一分野は光エレクトロニクスまたはオプトエレクトロニクスと呼ばれます。この分野で扱う光ケーブルは高速な通信システムの開発とインターネットの発展をもたらしました。
電気計測工学・計測工学
電気計測工学は、電気的特性の正確な測定に関する分野。電気回路・電子回路の測定を行うと、被測定回路の電圧や電流に影響を与えることが避けられません。測定技術の目的は、測定回路の影響を最小化あるいは補償することです。この分野には物質の電気的特性を利用するセンサや電気=機械的な測定手段も含まれます。前者の例としては圧力を測定するピエゾ圧電素子や温度を測定する温度に依存する電気抵抗素子があります。これらのセンサは制御工学においても用いることができます。
計測工学は、圧力、流れ、温度といった物理量を測定する機器の設計を扱います。そういった測定機器の設計には、電磁気学だけでなく様々な物理学の知識を必要とします。例えば、スピード測定器はドップラー効果を応用して近づいてくる自動車の速度を測定します。同様に熱電対はペルティエ-ゼーベック効果を応用して2地点間の温度差を測定します。
計測は単独ではなく、より大きな電気システムのセンサとして使われることが多いです。例えば、溶鉱炉の温度を一定に保つシステムで熱電対を利用するといった場合です。このため、計測工学と制御工学は組み合わせて扱われることが多いです。
制御工学
制御工学は様々な力学系をモデル化し、システムの振る舞いを望んだ形にするための制御装置の設計を行います。そのような制御装置の実装にあたって、電子回路、デジタル信号処理、マイクロコントローラ、PLCなどを使うこともあります。制御工学には、旅客機のフライトシステムから自動車のクルーズコントロールまで、様々な応用があります。また、ファクトリーオートメーションでも重要な役目を果たしています。
制御システムの設計においては、フィードバックを多用します。例えば、クルーズコントロールにおいては自動車の速度を継続的に監視しフィードバックし、それによってエンジンの出力を調整しています。制御理論では、あるフィードバックがあったときのシステムの応答を求めることができます。
信号処理
信号処理は信号の解析や操作を扱う分野であす。信号には連続的に変化するアナログ信号と、離散的な値をとるデジタル信号があります。アナログ信号の場合、信号処理は音声信号などの増幅やフィルタリング、電気通信における信号の変調や復調を扱います。デジタル信号の場合、信号処理は標本化された信号の圧縮や誤り検出訂正を扱います。
デジタル信号処理は、既存のアナログのシステムがデジタルのシステムに置換されていくにつれて、その応用範囲が電力、通信、放送、医療など急激に拡大しています。
かつてアナログ信号処理はアナログのハードウェアで実装されたシステムの設計を数学的に表すだけのものでしたが、デジタル信号処理は設計を数学的に記述するだけでなく、ハードウェア問題とは独立してそのまま(ソフトウェアまたはハードウェアへの埋め込みで)実装することもできるようになりました。そのためデジタル信号処理は重要性を増しつつあります。
信号と信号が運んでいる情報には強い関係があり、信号処理は情報処理と等価でもあります。それが信号処理に幅広い用途がある理由です。DSPチップは、テレビ、ラジオ、携帯機器、音響機器、ノイズリダクションアルゴリズム、MP3プレーヤー、GPSカーナビゲーション、各種画像処理・音響処理・音声処理システムといった様々な電子機器に組み込まれています。
計算機工学
計算機工学は計算機の設計に関連する分野であり、電気工学とは電子式の計算機の設計という分野で関連づいている。新規ハードウェアの設計、携帯情報端末の設計、コンピュータを利用した生産システムの設計などがあります。システムソフトウェアも計算機工学で扱う場合がありますが、複雑なソフトウェアシステムの設計はソフトウェア工学の領域であり、両者は異なる分野とされています。パーソナルコンピュータの設計はこの分野のごく一部であり、コンピュータ的アーキテクチャの電子機器はゲーム機やDVDプレーヤーなど様々なものがあります。

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