音の世界 · SoundLab

音の発生

ゴムハンマーで音さをたたき、つるした卓球ボールに近づけると、ボールは何度もはじき飛ばされます。音さの振動は速くて小さく目では見えませんが、ボールがそれを拡大してくれます。この方法を変換法といいます。

太鼓をたたくと、太鼓の皮の上の紙くずが跳ね上がります。音さを握ったり皮を押さえたりすると、振動が止まり、音も消えます。

音は物体の振動によって生じる

音を出している物体を音源といいます。固体・液体・気体のどれも振動して音を出せます。声は声帯の振動、笛は空気柱の振動、せせらぎは水の振動によるものです。

音の伝わり方

鳴っている電気ベルをガラス鐘に入れ、真空ポンプで中の空気を少しずつ抜いていきます。圧力計の値が下がるにつれてベルの音は小さくなり、ハンマーが打っているのが見えるのにほとんど聞こえなくなります。空気を戻すと、また音が大きくなります。

完全な真空にはできず、台を通して少しだけ音がもれます。そこで推論します。中に空気がまったくなければ、ベルの音は聞こえないはずです——

音の伝わりには媒質が必要で、真空中は音が伝わらない

「音波」表示にすると、鐘の中の空気の粒子がまばらになり、外へ出る音波が弱くなるのが見えます。宇宙飛行士は宇宙では無線でしか話せません。

音の速さ

長さ 1.2 m の 3 本のコースを同時に音が走ります。鋼管、水を入れた水槽、そして空気です。ゴールのセンサーはオシロスコープにつながっていて、音が届いた時刻を記録します。映像は千倍以上のスローです。

v = s / t

音は鋼の中がいちばん速く（約 5200 m/s）、水中で約 1500 m/s、15 °C の空気中で約 340 m/s です。ふつう固体中 > 液体中 > 気体中の順に速く、空気は温かいほど音が速くなります。

とても長い鉄管の一端をたたくと、反対側の人には音が 2 回聞こえます。1 回目は鉄管を、2 回目は空気を伝わってきた音です。

音の高さ

鋼の定規を机にしっかり押さえ、一端を机の端から出してはじきます。はじく強さは同じにして（条件制御）、出す長さを変えてみましょう。出す部分が短いほど速く振動し、高い音になります。

1 秒間に振動する回数を振動数といい、単位はヘルツ（Hz）です。オシロスコープの波形が細かいほど振動数は大きくなります。

振動数が大きいほど音は高い

人の耳に聞こえる振動数はおよそ 20 Hz ～ 20000 Hz です。20 Hz より低い音を超低周波音、20000 Hz より高い音を超音波といいます。定規を長く出してはじくと、振動は見えるのに音は聞こえません。

音の大きさ

強さを変えて太鼓をたたきます。強くたたくほど皮の振動の幅が大きくなり、紙くずが高く跳ね、騒音計の値も大きくなります。

振動の幅を振幅といいます。音の大きさを音の大きさ（響度）といい、ふつうデシベル（dB）で表します。

振幅が大きいほど音は大きい

音の大きさは音源からの距離にも関係します。騒音計を遠ざけると値が小さくなります。音は伝わるうちに広がっていくからです。メガホンや聴診器は音を集めて広がりを抑え、音を大きくします。

音色

違う音源で同じ音（たとえば A4 = 440 Hz）を出すと、オシロスコープの波形は細かさが同じ（振動数が同じで高さも同じ）ですが、形が違います。

音源の材料や構造が違うと、出る音の音色も違います。音さの音はほぼ純粋な正弦波ですが、ピアノやウクレレの音には基音のほかに多くの倍音が混ざっています。右の小さなグラフは各倍音の強さです。

声で誰だか分かったり、どの楽器か聞き分けたりできるのは音色のおかげです。

高さ · 大きさ · 音色——音の三要素

反響 · 音の利用

音は障害物に当たってはね返り、反響（こだま）になります。反響がもとの音より 0.1 s 以上遅れて届かないと区別できないので、障害物は少なくとも 17 m 離れている必要があります。

超音波距離計のセンサーは 40 kHz の超音波を発し、板からはね返った反響を受け取ります。往復の時間 t をはかると

s = v t / 2

コウモリは反響定位で獲物を捕らえ、漁船はソナーで魚群を探し、医師は超音波検査で体内の臓器を見ます——音は情報を伝えます。超音波でめがねを洗ったり結石を砕いたりできます——音はエネルギーを伝えます。やわらかく穴の多い材料は音を吸収するので、反響はとても弱くなります。

騒音の害と対策

物理学では、騒音は物体が不規則に振動して出す音です。環境の面からは、人の休息・学習・仕事のじゃまになる音はすべて騒音です。

音の強さのレベルはデシベル（dB）で表します。30～40 dB は理想的な静かさ、50 dB を超えると休息のじゃまに、70 dB を超えると会話のじゃまになり、90 dB 以上の中で長く暮らすと聴力が損なわれます。

騒音を出さない · 伝わるのを防ぐ · 耳に入るのを防ぐ

バイクのマフラーや機械の防音カバー、道路沿いの防音壁や植樹、作業員のイヤーマフ——騒音対策の三つの段階にあたります。

確認テスト