音の速さ

音が伝わるのに時間がかかることは、遠くで鉄砲を打ったりするとき発火してからしばらくして音が聞こえることなどから、古くから人びとに知られていました。

しかし、伝わる速さは、どんな音でも同じなのかまた、その速さはどれくらいなのかというようなことはわかっていませんでした。

音の速さの測定は、17世紀の中ごろからおもにフランス・イタリア・イギリスの科学者によっておこなわれました。

その方法は、2つの地点のいっぽうでたまの入っていない大砲を打ちもういっぽうの地点で、大砲から出た火を見たときから大砲の音を聞くまでの時間を測るのです。

そして、この時間で2つの地点間の距離を割ると、音の速さがもとまります。
光も音と同じように、伝わるのに時間がかかりますがその時間は、音の速さとはくらべものにならないくらい速いのです。

その後、たくさんの科学者がいろいろな実験をおこなって0℃で一気圧の空気中では、どんな音の速さでも毎秒331.5メートルであることがわかりました。

音の速さと温度

空気中の音の速さは温度が高くなるほど速くなります。
実験により、温度が1℃高くなるごとに毎秒0.6メートルだけ速くなることがわかりました。

したがって、15℃のときには、つぎのような計算によって、音の速さがもとめられます。

331.5 + (0.6 × 15）= 340.5（メートル/秒）

この計算から、音の速さは、気温15℃で、毎秒340.5メートルとなります。

雷が遠くでなっているときには、稲妻が光ってからしばらく経って、音が聞こえます。

このとき、稲妻が光ってから音が聞こえるまでの時間に音の速さをかけたものが雷の鳴っているところまでの距離になります。

音の速さと風

川をさかのぼる船の速さは、流れのない水での船の速さから水の流れる速さを引いた値になります。

また、川をくだるときには、水の流れる速さを足した値になります。

これと同じように、風上にむかう音の速さは風のない空気中での音の速さから、風の速さを引いた値になります。

これと反対に風下にむかうときは、風の速さを足した値になります。

水中の音の速さ

水中の音の速さをはじめてはかったのは、およそ140年ほどまえでコラドンとシュトルムというふたりの学者によって、スイスの湖でおこなわれました。

ふたりは、2そうのボートを遠くはなして浮かべました。

そして、1そうのボートで、水中につるした鐘を叩いて音を出させもう1そうのボートでは、細長いラッパの大きいほうのはしに膜を張って水中に入れ細いほうのはしに耳をつけて、水中を伝わってくる音を聞きました。

鐘を打つと同時に、火薬に火がつくようにしかけがしてあり音を聞く人は、火を見たときから音が聞こえるまでの時間を測ります。

この時間と、2そうのボートの間の距離から、水中を伝わる音の速さはおよそ毎秒1435メートルであることがわかりました。

その後、海水を伝わる音の速さもたくさんの人たちによって調べられました。
それによると、海水中を伝わる音の速さは、およそ毎秒1500メートルです。

音の速さと振動数

ばねを使った波の発生の実験で、ばねのはしを1回ふると横波なら、山と谷の1組みができ、縦波なら、疎と密の1組みができいずれも波が一波長だけ進むことがわかりました。

このことから、波の速さ・振動数・波長のあいだに、つぎのような式が成り立ちます。

波の速さ＝波長×振動数

この式は、音でも成り立ちます。

たとえば、気配が15℃のとき、振動数が1000ヘルツの音の波長は0.34メートルで振動数が200ヘルツの音の波長は1.7メートルとなります。

すなわち、振動数に波長をかけたものは、いつでも毎秒340メートルになり測定された音の速さと等しくなります。

このことから音の速さは、測定された波長と振動数とから計算でもとめることもできます。

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。

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。