物理基礎の波動�H（音の演示実験）

１．今日の目的

これまで波の一般的な性質について勉強してきました。 ここからは数時間音を学習します。 今日はたのしく理解してくれるといいです。

２．高周波発信器

これは「高周波発信器」というもので，音を出す装置です。

はい，そうですね。これは簡単ですね。 ボリュームを上げると，音は大きくなります。

※実際にボリュームを上げていく。
こうやって音は大きくなります。

これも簡単ですね。 振動数を大きくすると，音は高くなります。

※実際に振動数を上げていく。
まずは50[Hz]です。それで100[Hz]です。高くなっているのがわかりますね。

だいたいどのくらいだと思う？想像がつかない。 実際にやってみて，結果を書いてください。 音を高くしていき，私が何[Hz]っていうので，そこで聞こえなくなったら手を挙げてください。

※実際に振動数を上げていく。
100[Hz]！！！･･･みんな聞こえているのね。
･･･どんどんあげていく･･･
15000[Hz]（自分が手を挙げる）
あのねー，毎年同じ実験やってますが，はじめは聞こえていたんだよ。 30歳近くなってね聞こえなくなった。15000Hzが限界です。 君たちも同じ運命にあるからね。笑っているな。このまま音を出し続けながら授業をしようか？ 俺には聞こえないから影響ないぞ！
19000[Hz]･･･むしろまだ聞こえている人？
（クラスに6人くらい
20000[Hz]･･･2人くらいがぎりぎり。
20000[Hz]とちょっと･･･「もう聞こえません」
このクラスに超人はいないんだね。
人間の可聴範囲は20Hz〜20000Hzです。犬や猫はもっと高い音まで聞こえるのです。 コウモリなんかはむしろ高い音は聞こえるけど，このくらいの声は聞こえないのです。

ちなみに，20000Hzよりも高い音をなんていいますか？
「超音波！」
そうですね，超音波です。
では，20Hzよりも低い音は？
「･･･低周波」
そうです。低周波といいます。
音楽のCDは聞こえないからといって超音波を削っています。 人間には聞こえないんだけど，例えば飛行機が着陸するときには低周波が出ていて それが健康を害するという話も聞いたことがあります。 聞こえないんだけど感じることはできているのかね。 だからCDよりもレコードの方がいいという人もいるんだよね。

３．オシロスコープ

※科学技術振興機構が運営している理科ネットワーク の「映像と音声分析・合成ソフトで学ぶ音・波動教育用デジタル教材」にある パソコンソフト「振駆郎」を利用させていただきました。 パソコン画面を黒板に投影して生徒に見せています。

オシロスコープというのは、リアルタイムに細かいところまでで見ることができる電圧計です。 マイクというのは，音を電流に変える装置です。それをオシロスコープで見るというわけです。
まず断っておくけど，この縦軸は変位yで，横軸は時間tですよ。 つまりy-tグラフがみえるってわけ。 y-xではないよ。

まずは，音叉の音を見てみましょう。

このように，音叉はきれいなグラフになるのです。 ちなみに，これはy-tグラフ，つまり横軸は時間です。 ここは何を表しますか？波長ですか？周期ですか？ 横軸は時間ですよ。だから周期を表すのでしたね。 いまは2.2ミリ秒くらいですかね。この音叉は440Hzの音叉です。 振動数と周期は逆数の関係にありました。 1/440＝0.00227･･･ですので，2.3ミリ秒くらい。

予想してみてください。
生徒の予想：
・グラフの高さも大きくなり，幅も広がる（3人）
・グラフの高さのみ大きくなる（多数）

実際に見てみましょう。

グラフの振幅だけ大きくなっているのがわかりますね。 音の大きさは基本的に振幅に関係しています。

523Hzの音叉でやってみますよ。予想してみてください。
生徒の予想：
・幅が広がる（10人）
・幅が狭くなる（30人）

実際に見てみましょう。

うーん，あんまり変わっていないですね。
しょうがない。ゴホン，ゴホン。あー，あー（発声練習をする）
生徒：「おー！」
美声をお聞かせしましょう。
（低い声で）「あー」
生徒：「グラフが汚い！」
まあ，待ちなさい。そこに関してはあとで説明するから。
（中くらいの声で）「あー」
（高い声で）「あー」
（限界の高さで）「あー」
生徒：「パチパチ（拍手）」
あのね，ポイントわかってる？ 高い声になると，間隔はどうなった？
生徒：「狭くなりました」
よろしい，美声を聞かせた甲斐がある。 そうなんだよね，振動数が高いってことは， 1秒間に振動する回数が多くなる。つまり周期は短くなる。 オシロスコープはy-tグラフだから， 黒板に写した振動グラフの1回分の長さは「周期」です。 波長ではありません。振動数が高くなると周期が短くなるのだから， 間隔が狭くなるわけです。

これは予想は難しいですが， さっきの美声がヒントです。 実際にやってみましょう。ギターがありますが，440Hzは「ラ」の音だから， ５弦を何も押さえずに弾けば同じ音になる。
（音叉も鳴らして，ギターも鳴らす）同じ高さだってわかりますか？

先輩教員のクラシックギターです。

まあこんな形のグラフになるのです。 音叉と違って汚いですよね。 これはまた次回説明しますが， 音叉は単一の波なんです。 ギターは基本は音叉と同じ形の波ですが， それにプラスしていくつかの波が混じっている。 その混じり方が楽器によって違うのです。 この混じり具合を「音色」といいます。 ギターならギターの，バイオリンならバイオリンの， フルートならフルートの混じり方ってのがある。 シンセサイザーというのは，ボタンを押すと， その楽器の音のように聞こえます。 これはプログラムでその混じり具合を考えて出しているのです。 だからいろいろな音を再現できるってわけです。

４．うなりと共鳴

さて，ここに音叉のストッパーというのがあります。 これは何てことはなくて，おもりなんです。 これを音叉に取り付けるとどうなると思う？
音叉は振動して音が出ているわけだけど， おもりをつけたら，そう，ゆっくりになるから， 振動数は低くなる。つまり，低い音になる。

ちなみに，つける位置を高い方が邪魔だから 上につけた方が低い音になります。

つまり，何もつけていない音叉と， ストッパーをつけた音叉を同時に鳴らすよ。よく聞いていてね。

ウォンウォンウォンウォンウォンウォンウォン

いま音の強弱が聞こえたでしょ。つまりウォンウォン聞こえたでしょ。 これを「うなり」といいます。

実際に，オシロスコープで見てみると，

振幅が小さくなっている時間と大きくなっている時間があるのがわかります。 ただ，拡大すると（次の図），すごく細かく振動しているのがわかります。

こんな感じになります。うなりだって ２つの波の重ね合わせの原理なんです。 その結果このようなグラフになる。 つまり周期的な音の強弱ができるというわけです。

ちなみに，ストッパーを下にして，２つの振動数をもっと近付けてみると…

ウォ−ンウォ−ンウォ−ンウォ−ン

ゆっくりになったでしょ！ 2つの振動数が近い方が， うなりの振動数が小さく周期がゆっくりになるのです。
1秒間あたりのうなりの回数は，2つの振動数の差になります。

ちなみに，うなりは音叉同士でなくてもできます。 ギターの5弦の音は440Hzでなければならないので， ギターを弾くと同時に音叉を鳴らして， うなりが聞こえたら振動数が少し違っているということだよね。 だったら，ギターのねじをまわして調整する。 うなりがゆっくりになったら近づいている。 うなりが聞こえなくなったら正確にあっている。 こうやってギターのチューニング（調律）をするわけです。 私は苦手ですぐデジタルチューナーを使ってしまいますが…。

とりあえずやってみましょう。静かにしてね。

（実際に行う）

という具合に，片方の音叉からもう一方へ音が移る。 「共鳴」といいます。 では，片方にストッパーをつけてみると…

（実際に行う）

というように，音は移りません。 つまり，共鳴という現象は，振動数が同じでないと起こらない。 もともと物体には「固有振動数」 というものがあります。 振動するならば振動数は決まっている。 例えば，音叉は誰がたたいても同じ高さの音が出る。 これが固有振動数。 その固有振動数と同じ振動数がくると共鳴は起きるのです。 地震でも同じことが起きます。 地震波の振動数と同じ固有振動数をもつビルだけが大きく揺れるのです。 まあビルも振り子と同じで高さに応じた固有振動数をもつ。 だから，それより高くても低くても大きくは揺れない。
ちなみに，これは「共振」といいます。 共振のうち，音のものを「共鳴」といいます。

ちょっとこれをみてください。4本の振り子があります。 どれも同じ棒にくくりつけてある。 （先輩の先生がつくったものです！） 4本中長い2本が同じ長さです。短い振り子を振ってみますよ。 まあ揺れはするけど，大きくは揺れない。 長さの同じ振り子の1本を揺らしてみますよ。

ほら，片方の揺れが小さくなったらもう一方は大きく揺れてるでしょ。
生徒：「おー」
まだ見ていると，またはじめに揺れていたやつに振動が戻ってきて， さっき揺れていたやつは一瞬止まった。
生徒：「おー」
というのを繰り替えす。

（実演しながら）音叉も一方をたたいて， もう一方に音が移る。で，これを止めると， （小さい音だけど）はじめのやつに戻ってくるのです。

いいですか，これが共鳴・共振です。 振動数が同じだと大きく揺れるわけです。 でも，これって当たり前ですね。 私が娘に「お父さん，ブランコを後ろから押して！」と言われて， 「いくよー」って言いながら， 娘の背中をドドドドドって押さないよね。 ブランコの周期・振動数に合わせて背中を押すよね。 そうすると，ブランコは大きく揺れるわけです。

あと，時間がないので無理矢理ですが， プリントに書いておいてください。 空気中の音速はだいたい340[m/s]ですが， 温度が高くなると速くなる。
V＝331.5＋0.6t
音速は通常V（大文字）で表し，tは摂氏温度です。

５．まとめ

今日は音に関していろいろ実験をしました。 それでギターの音に入っていきます。

では，プリントに感想を書いて提出してください。

授業を終えて。。。
・いままで画面の小さいオシロスコープを全員で見せていたのにくらべると， はるかにオシロスコープへの関心が高い。素晴らしいソフトです！
・もう少し時間をもって生徒にも活動させた方がいいのはわかっているけど， 時間がない！なぜ時間がない？

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