【物理基礎 波】「音の性質」のポイント解説 その1

今回の物理基礎のポイント解説は「音の性質その1」についてです。

・音波
・音の大きさや高さ
・音の速さ

について解説していきます。

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音波

私達が普段から出す声や楽器を演奏した時の音色など「音」は日常にありふれた現象です。

この音はどのように伝わるのかをまずは確認していきましょう。

例えば太鼓やスピーカーのように振動することによって音を発生させる物体音源(発音体)といいます。

この音源が振動することで周りの空気が圧縮と膨張を繰り返します。

これにより、空気に圧力の高い部分(密といいます)、低い部分(疎といいます)が生じます。

密と疎の部分が伝わる、つまり空気の振動が縦波となって伝わります。

そして、媒質を伝わるこのような縦波を音波(または)といいます。

例えば、私達人間の場合であれば声帯を振動させて声を出しています。

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音の大きさや高さ、音色

次に音の大きさや高さ、音色についてです。

①音の大きさ

大きな音や小さな音にはどのような特徴があるかというと、以下の波形の図を見てください。

図に示したように、同じ振動数の音を聞いている時、その振幅が大きくなるほど音は大きくなります。

逆に振幅が小さくなれば音も小さくなります

②音の高さ

音の高さは何で変化するかというと振動数が変化しています。

以下の波形の図を見てください。

図に示したように振動数が大きくなるほど音は高くなります

逆に振動数が小さい音ほど音は低くなります

③音色

例えば「ド」の音を耳にしたとしても、ピアノやリコーダー、トランペットなど音を発するものによって違った印象の音に聞こえると思います。

これは、身の回りにあるほとんどの音が単純な正弦波ではなく、複雑な波形をしています。

この波形の違いによって音色の違いが生まれます。

例として以下の図にぼくの「あ」の波形を示しました。

波形を見てもらえばわかりますが、ギザギザしていたりとがっていたりときれいな正弦波の波形をしていないことがわかります。

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音の速さ

最後に音の速さについてです。

音速は約340m/sと聞いたことがあるのではないでしょうか?

この音の速さは空気中の温度が15℃の時の速さになります。

空気中を伝わる音の速さ\(V\)は以下のように表されます。

\[
V=331.5+0.6t
\]

この\(t\)は空気の温度です。

つまり、1気圧、15℃の空気中の音の速さは

\[
\begin{align}
V&=331.5+0.6\times15\\
&=331.5+9\\
&=340.5\\
\end{align}
\]

となります。

式からわかるように、空気中を伝わる音の速さは温度が高くなるほど大きくなります

また、音は空気だけではなく、ヘリウムなどの気体や水などの液体、鉄のような固体中も伝わります。

例えば、水であれば空気中を伝わる速さの4〜5倍ほどの速さで伝わります。

しかし、真空中では音を伝える媒質がないため音は伝わりません。

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まとめ

それでは今回のまとめです。

音波 → 縦波

音の大きさ
    振幅が大きいほど大きな音、振幅が小さいほど小さな音になる

音の高さ
    振動数が大きいほど高い音、振動数が小さいほど低い音になる

音色
    複雑な波形をしており、この波形の違いが音色の違いになる

音の速さ
    1気圧、\(t\)[℃]の空気中の音の速さ\(V\)[m/s]は
\[
V=331.5+0.6t
\]     と表される

次回の記事はこちらから。

【物理基礎 波】「音の性質」のポイント解説 その2
物理基礎の波のポイント解説です。今回は音の性質を確認していきます。音の大きさや高さ、音色にはどのような特徴があるのか、音の速さはどのように表されるのか学んでいきましょう。

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