音波の発生とは 発音体とは? 空気と音の関係とは?

発音体

私たちの耳には、絶えずいろいろな音が聞こえてきますが
たいていは、それが何の音で、どんな方向から聞こえてくるかがわかります。

音が聞こえるときは、必ず、音を出すものがあるのです。
この音を出すものを、発音体と言います。

テレビやラジオのスピーカー、太鼓・ラッパ・ピアノなどの楽器
あるいは、鳴いている鳥や虫なども発音体です。

太鼓を叩くと音がでます。
また、ギターの弦を弾いても音がでます。
そのとき、太鼓の膜やギターの弦に振れてみると、ビリビリと感じます。
これは、膜や弦が振動していることによります。

太鼓やギターだけでなく、発音体はすべて振動して音を出します。




実験

音叉をゴムの槌で打つとすんだきれいな音がでますが
このとき音叉が振動していることを確かめてみましょう。

コルク栓を細い糸でつるします。
音叉を槌で打って音を出させ、コルク栓に軽く振れるとコルク栓は勢いよく弾かれます。
このことから、音がしている音叉は、激しく振動していることがわかります。

振動数と音

発音体は振動していますが、物体が振動していれば必ず音が聞こえるとはかぎりません。
音が聞こえるにめには、激しい振動でなければなりません。

人間の耳に聞こえる発音体の振動数は
およそ20ヘルツから2万ヘルツであることがわかっています。

空気と音

発有体の振動によって、私たちの耳に音が聞こえるのはなぜでしょう。
それは、発音体が振動すると、発音体のまわりの空気に振動が伝えられ
その振動が耳に伝わるからです。

17世紀の物理学者ガリレイは、音は空気の振動で伝わり
それが耳に届き、音として感じると考えていました。
このことを実験によって確かめようとした最初の人がガリレイの弟子の、トリチェリです。

トリチェリは、いっぽうのはしが閉じている、1メートルくらいのガラス管に水銀を入れ、
これを、水銀の入った入れ物に逆さまに立て、上部にできる真空の中に鈴をつるして
その音が聞こえるかどうかを実験しました。

実験

太い梁金のいっぽうのはしを、フラスコのゴム栓にさし
もういっぽうのはしに鈴をつるします。

このゴム栓でフラスコにふたをし、耳の近くで振ってみると鈴が鳴っているのが聞こえます。

つぎに、ゴム栓をとって、フラスコの中に少し水を入れ、火にかけて水を沸騰させます。
しばらくすると、水蒸気といっしょに中の空気が出ていきます。

つぎに、フラスコを火からおろして、鈴をつるしたゴム栓ですばやくふたをします。
フラスコに水をかけて冷やすと、中の水蒸気は水になり、空気はだいぶ薄くなっています。

このとき、フラスコを振ってみても、鈴の音はあまり聞こえません。
ゴム栓をあけて空気を入れると、また音が聞こえるようになります。

音は空気中の縦波である

空気があって、はじめて発音体の振動は音を伝えます。
ところで、太鼓の膜のような発音体が、図のように、左右に振動しているとします。

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すると、まわりの空気もそれにつれて動きます。
まず、発音体が左へ動いたとすると、左側の空気は発音体におされて
ふつうのときよりも濃くなります。

濃くなった空気は圧力が高いので、さらに外側の空気を押します。
押された外側の空気は、ふつうのときより濃くなります。

これがさらに外側の空気を押すというようにして
空気の濃い部分がつぎつぎに外側に動いていきます。

発音体の右側では、空気がうすくなります。
うすい空気は圧力が低いので、外側から空気か動いてきます。

すると外側の空気はうすくなり
さらに外側から空気が動いてきます。

こうして、空気のうすい部分が、つぎつぎに外側に動いていきます。

発音体は、左右になんどでも振動しますから
空気の濃い部分とうすい部分が順番に生じて
外側に動いていくことになります。

これは縦波が進むようすと同じですから
音は、空気中に生じる縦波です。

そのため、音は、音波ともよばれます。

縦波では、音を伝えるものが、波の進行方向に振動するので
音波でも、空気が音波の進行方向に振動します。

その振動数が音波の振動数とよばれ、ふつうは、発音体の振動数と等しくなります。



固体や液体の中を伝わる音

駅のプラットホームで電車を待っているとき
電車がまだそうとう遠いところにいるのに、カタン、カタンという音が聞こえます。

これは、音がレール(固体)の中を伝わってくるからです。
音は、また、液体の中でも伝わります。

夏、海へいって水の中にもぐると耳をふさいでいても波の音が聞こえてくることがあります。
これは、水の中を伝わってきた音が、頭の骨を通って耳に伝わるからです。

このように、音は、空気のような気体だけでなく
水や金属のような液体や固体の中も伝わります。

これは、気体・液体・固体とも
圧縮するともとの体積にもどろうとする性質をもっているからです。

また、液体や固体の中を進む音も、気体中を進む音と同じく縦波です。

実験1

金城の棒のいっぽうのはしを手でもって、耳に押しつけます。
もういっぽうのはしを槌で叩いてみると、はっきりした音が聞こえます。
金属の棒がないときには、手すりのようなものを叩いてみでも、同じことができます。

実験2

シャンプーなどの入っていたプラスチックの容器の底を、のこで切り落とします。
切り口をナイロンなどのうすい膜で包み、水が入らないようにビニルテープをまいておきます。

瓶の口には短いガラス管を通したゴム栓をして
ガラス管の先に、70~80センチのやわらかいゴム管のはしをさしこみます。

ゴム管のもういっぽうのはしを耳にさしこんで
ナイロンの膜の近くで音叉を鳴らすと、よく音が聞こえます。

この装置で、水の中の音を聞いてみましょう。

大きな水そうに水をいっぱい入れ、その中に、音を聞く装置をつけます。
音叉を鳴らして水の中につけると、空気中ほど大きな音ではありませんが
はっきりと音が聞こえます。

この装置できていた音が、空気中で聞くほど大きくないのは
水中では音が伝わりにくいのではなく、水中の音が、この装置の中に入りにくいためです。
また、同じように空気中の音は、水や金属の中に入りにくいものです。







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