オシロスコープを使ってモノコードの音を調べよう!

音の大きさと高さを調べよう

私たちの声は体格や声帯の形の違いによって、人それぞれ別の声になっています。

様々な音が飛び交っていますが、音が持つ情報は「大きさ」「高さ」の2つしかありません。

今回はモノコードという道具を使って音の大きさと高さを調べていきます。

モノコードはギターのような道具で、2本の太さの違う弦(指ではじく線)が中が空洞になっている木の箱に貼られています。

モノコードの弦をはじくと、弦は上下に振動をします。

弦が振動をしている幅を振幅といい、振幅によって音の大きさが決まります。振幅が大きいほど大きな音が、振幅が小さいほど小さな音が出ます。

弦が1秒間に振動する回数を振動数(周波数)といいます。弦が1秒間に1000往復していたとすると、振動数は1000回となり、1000Hz(ヘルツ)という単位で表します。

振動数によって音の高さが決まり、振動数が大きいほど高い音が、振動数が小さいほど低い音が出ます。

 

モノコードのはじき方を変えて、音の大きさと高さがどのように変わるのかを調べていきます。

モノコードをはじく条件を4つ変えてみます。

①弦を強くはじく

②弦の長さを変える(間に木を入れる)

③弦の太さを変える(2種類の弦の違い)

④弦の張りの強さを変える(ねじを回して強さを変える)

この条件で音の変化を聞き取ってまとめると次のようになりました。

はじく強さ 小さい 大きい
弦の長さ 高い 低い
弦の太さ 高い 低い
はりの強さ 低い 高い

音の大きさは、はじく強さにだけ関係しています。

音を高くするためには、短くて細い弦を強く張ってはじくといいことがわかります。

音が大きいほど低い音になったりはせずに、大きさと高さは別々の条件で決まるんですね。

音を目で見える形に変える

オシロスコープを使うと波を見ることができます。

オシロスコープ音を波の情報として、波形で表すことができる道具です。病院にある心臓の動きを波で見る心電図と同じようなイメージで大丈夫です。

音の情報は「大きさ」と「高さ(振動数)」の2つなので、オシロスコープで簡単に表現することができます。

音の大きさはオシロスコープの波形でいうと波の大きさになります。音の大きさが大きいほど波の大きさも大きくなります。

音の高さは振動数で決まるので、1回の波がいって帰ってくるまでに何秒かかったかを読み取ります。例えば、1つの波の間隔が0.01秒なら、その音の振動数は100Hzになります。

音と波の関係を見やすくまとめるとこのようになります。

人が聞こえる音の高さ

モスキート音という歳をとるとだんだん聞こえなくなっていく音があります。youtubeなどで1,2分で聞けるので聞いてみてください。

モスキート音とは蚊(モスキート)の鳴き声という意味で、蚊の鳴き声のような高い(振動数が大きい)音のことです。

人間が聞き取ることができる振動数は20Hz~20000Hzで、モスキート音は16000~20000Hzくらいの振動数で、耳の音を感じる細胞がだんだんと衰えてしますので、歳をとると聞こえにくくなってしまいます。

深夜の駅前やコンビニなどで流しているところもあり、若者の深夜徘徊を防ぐために利用されています。

 

動物によって聞き取れる振動数が違い、イルカやコウモリ、犬、猫は人には聞き取れない超音波(20000Hz以上の音)を聞くことができます。

イルカやコウモリは自分で超音波を出し、周りのものに当たって帰ってくるまでの時間を測り、自分と物体との距離を測っています。

また、超音波は内臓の様子やおなかの中の胎児の様子を調べることにも応用されています。

救急車のサイレンの音の高さが変わる理由は?

救急車のサイレンの音って、自分に近づいてくる時と離れていく時で音が変わりますよね。

よく聞いてみると近づいている時は高い音に、離れていく時は低い音に聞こえます。理由は音源が移動している場合、音の速さに加えて音源の速さも関わってしまうからです。

音源が近づいている場合で音の高さを考えてみましょう。1つの波が来て次の波が来るまでの時間は、100Hzの場合は0.01秒後になります。私たちは2回目の波が0.01秒後に来たのを聞いて音の高さを判断していますが、音源が近づいている場合、1回目の波を出した場所と2回目の波を出した場所を比べると2回目の場所のほうがわずかに自分の近くになります。

その結果、2回目の波を聞くまでの時間が0.01秒よりも短い(=振動数が大きい)と感じるので、高い音に聞こえます。

この現象をドップラー効果といいます。

まとめ

モノコードのはじき方と変えると音の「大きさ」「振動数」が変わる

オシロスコープ音を波形で表すことができる

音源が移動している時に音の高さが変わって聞こえる現象をドップラー効果という

中1物理
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プロフィール
ゆうしろ

公立中学校の現役教員です。
専門は生物学で、中学・高校理科の教員免許を持っています。
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