[物理] 音の性質

第 12 回のテーマは「 音の性質 」です。

今回は「 音とは何か、音の伝わり、音速と光速、音の 3 要素、共鳴( 共振 )、ドップラー効果 」といった事を書いていきたいと思います。

音とは何か

音とは「 振動 」であり、音が出るときは「 何かが振動 」しています。

この音を発するもの、つまり「 振動している源 」を「 音源 」と言います。

そしてこの振動が、空気に伝わり「 空気が振動 」します。その振動が耳に届き、鼓膜(こまく)を振動させることで、私たちは音として認識( 聞こえる )しています。

空気が振動して「 波 」となって伝わる現象を「 音 」と言います。

音は音源から離れていくにつれ「 減衰(げんすい、少しずつ減少していくこと) 」していき、ある程度離れると聞こえなくなります。

また音は、物や壁や地面などに接触することでも、減衰していきます。( 空気中の場合 )

音は「 振動 = 波 」なので「 音波 」とも言います。( 波とは振動が次々と周辺に伝わっていく現象 )

これは「 光と同様 」です。つまり音は「 波の特徴 」を持つということです。

よって、前回学んだ「 波長、振幅、周期 」や「 周波数( 振動数 ) 」そして「 波の干渉、波の反射など 」の特徴を持ちます。

詳しくは「 光の性質 」の「 光の正体 」というところで解説しております。

「 光 」は周波数の違いによって「 色 」が変わりましたが、「 音 」では「 音の高さ 」が変わります。

「 波の反射 」として「 音が物に当たると跳ね返る 」ということの 1 つの例が「 山彦(やまびこ) 」です。

山彦は山や谷に向かって大きな音(ヤッホーと大声)を出すと、音が跳ね返ってきた結果、少し遅れて音が返ってくる(ヤッホー、ヤッホー、… )現象です。

ちなみに「 糸電話 」で声が聞こえるのも、声によって糸が振動して、波となって伝わっているからです。

声が出るのも喉仏(のどぼとけ)のあたりに「 声帯 」という、弦楽器(ギターなど)の弦のような働きをする部分が「 振動 」するからです。

耳をふさぐと音が聞こえづらくなるのも、空気の揺れが耳の中に入りづらくなるからです。

音が聞こえるためには「 音源( 音を発生させるもの ) 」と「 音を伝えるもの 」の 2 つが必要になります。

難聴のベートーベン

ドイツの作曲家ベートーベンは難聴であったと言われていますが、どうやって作曲をしていたのでしょうか。

人は耳をふさいでも、自分の声は聞こえます。

これは、のどの「 声帯の振動 」が「 骨を通じて 」音を感じとる神経( 鼓膜の奥の器官 )に伝わるからです。

これを「 骨伝導(こつでんどう) 」と言います。

私たちが日常で自分の声と感じているものは、「 空気を伝わって耳に届いた音( 気導音 ) 」と「 骨伝導によって伝わる音( 骨導音 ) 」が混ざった音です。

なので自分の声を録音して聞いてみると、いつも聞いている自分の声と違って聞こえるのは、録音された音は「 気導音だけ 」だからです。( マイクを通してスピーカーから聞こえるのも気導音だけ )

ベートーベンは指揮棒( タクト )を歯で噛み、その先端をピアノに押し当てて( ピアノは音を出しているので、ピアノ自体も振動している )骨伝導で音を聴き取り、作曲を続けたと言われています。

音の伝わり

音は空気( 気体 )の中だけでなく「 液体や固体 」の中も伝わっていきます。

マイクで歌を歌ったり、楽器を鳴らしたりして大きな音を立てると、周りにある物が小さく揺れるのも、振動( 音 )が伝わっているからです。

「 液体や固体 」の中では、空気中に比べて「 音の減衰が非常に少なく、はるかに遠くまで伝わる 」という特徴があります。

音の伝わる速さ( 音速 )は、速い順に「 固体、液体、気体 」となっています。( 硬いものほど速く伝わるというイメージ )

例えば、空気中の音速を「 1 」とすると、水中では「 約 4.5 倍 」、鉄では「 約 18 倍 」も速くなります。

また、離れたところに音が届くのは「 空気が振動して音を伝えているから 」なので、空気がない状態( 真空に近い状態 )では音は伝わりません。( 宇宙で音は聞こえない )

ここが光との違いです。光は粒子でもあるので、宇宙でも伝わっていきます。

また音速は、気体の場合「 温度( 気温 )が上がるほど、速くなる 」という性質があります。

よく基準となる音速は「 秒速 340 m( 1 秒間に 340 m 進む)ほど 」ですが、これは「 気温 15 ℃ぐらいの空気中 」での音の伝わる速さです。

ちなみに秒速 340 mとは「 東京から大阪まで約 20 分で行ける速さ 」であり、時速 1,224 km( 340m×60秒×60分 )です。

新幹線が時速 300 kmほどなので、新幹線の 4 倍速いです。また飛行機が時速 1,000 kmほどなので、飛行機よりも速いです。

空気( 気体 )よりも音の伝わりが速い「 液体 」と「 固体 」の音速は、

例えば「 水 」では「 秒速 1,500 m( 秒速 1.5 km )ほど 」です。

固体は「 鉄、アルミニウム、銅 」では「 秒速 6,000 m( 秒速 6 km )ほど 」で「 氷、ガラス、コンクリート 」では「 秒速 4,000 m( 秒速 4 km )ほど 」となっています。

高速で、なおかつ遠くまで伝わるという事から、液体や固体の中では、情報を伝える手段として「 音 」が非常に有効になります。

超音波

人間が聞き取れる周波数( 音の高さ )の範囲は、およそ「 20 〜 20,000 Hz ( 20 kHz ) 」までと言われています。

この範囲より低い周波数の音を「 超低周波音 」、高い周波数の音を「 超音波 」と言います。( 人間の声は、普通の会話の場合で 300 〜 800 Hz )

周波数が高いほど高い音になり、低いほど低い音になります。

周波数の単位は Hz (ヘルツ)です。 1 kHz (キロヘルツ) = 1,000 Hz 。

周波数は「 1 秒間に空気が振動する回数 」でもあるので、例えば 1,000 Hz なら「 1 秒間に 1,000 回も空気を振動させている 」という事です。

「 音が鳴る 」とは「 すごい速さで空気が振動している 」と言えます。

動物の中には、もっと高い音が聞き取れる動物もいます。イルカは 100,000 Hz ( 100 kHz )の音を、コウモリは 300,000 Hz ( 300 kHz )の音も聞き取れると言われています。

これらの動物は、体から超音波を出して、それが周りの物に当たって反射するまでの時間によって、距離や周囲の状況を知ることができます。

イルカやクジラは超音波で遠く離れた( 数百キロ以上 )仲間とのコミュニケーションをとっているようです。

超音波は暗闇でも使えるので、光がなくても周囲の状況を知ることができます。また通常の音波( 人間が聞き取れる周波数 )と違い、曲がりにくいという性質もあります。

これらの性質を利用して「 超音波探知機 」という海の中や海底の地形を調べたり、魚の群れを探知したりする機械が作られています。

また病院などでの「 エコー( 超音波 )検査 」といった胎児の様子を見たり、内臓の検査をしたりといった事にも使われています。

心臓の音

自分や他人の心臓の音は、通常の音の伝わり( 空気の伝わり )では聞くことはできません。

ですが、胸に手を当てたり、耳を当てたりすると聞こえるようになります。

これは固体( 人体 )から出る音は、空気を通してしまうと( 間に空気があると )減衰されて、耳で聞こえないのですが、

手や耳を当てることによって、固体同士でダイレクト( 直接 )に音が伝わるので聞こえるようになるのです。

例えば、部屋にいる時に、隣の部屋の声や音は聞こえづらいですが、壁に耳を当てると聞こえやすくなるのも同じ原理です。

これらは「 骨を通じて固体の振動が、直に鼓膜の奥の器官に伝わる 」という骨伝導の作用です。

外の音と部屋の音

部屋の中にいて、外の音が大きくよく聞こえると「 部屋の中の音も、外に聞こえているのかな 」と思った事がある人もいるかも知れませんが、

まず「 外がどんなに静かでも、部屋の中の方が圧倒的に静かである 」ということ。

そして「 静かな時ほど、小さな音がよく聞こえるようになる 」ということ。

逆に「 うるさい時( 様々な音が発生している時 )ほど、それぞれ個別の音の判断ができなくなる( 小さな音も聞こえない ) 」ということ。

例えば、普段は時計の秒針の音が気にならない( 聞こえない )のに、夜寝るときにハッキリと聞こえるようになるのも、これらの理由からです。

外はいくら静かといっても、密閉されたような空間ではないので、常に様々な種類の音が存在しています。いわば外は「 静かな雑音 」が常に鳴っている状態です。

逆に部屋の中は、TV やスピーカーなど( 音を出して楽しむもの )を消してしまえば、壁や窓で囲まれた空間なので、非常に静かです。

このような状態では、通常の部屋の中での生活音や会話の声が、外にいる人に聞こえる事はありません。

逆に「 外での話し声は、部屋の中までよく聞こえる 」ので要注意です。

超音速

空気中での音速は「 秒速 340 m( 340 m/秒 ) 」ですが、この速度を「 マッハ 」という単位を使い「 マッハ 1 」と表します。

例えば「 マッハ 2 なら 680 m/秒 」「 マッハ 3 なら 1,020 m/秒 」ということです。

つまり、ある物の速さが「 音の速さの何倍か 」を表す数値が「 マッハ数 」ということです。

1969 年にイギリスとフランスが共同開発した「 超音速旅客機コンコルド 」は「 マッハ 2 ( 680 m/秒 ) 」で飛んでいましたが、2003 年に退役しています。

この超音速( 音速を超える速度 )の飛行機はなぜ退役してしまったのでしょうか。超音速が引き起こす問題を書いておきたいと思います。

音速を超えると、飛行機には自分が出した音はもう届きません。( 音を超える速さで進むと、音は聞こえなくなる )

つまり「 音が置いていかれる 」ということです。

この時、飛行機の後ろの方では、置いていかれた大量の音が詰め込まれて「 衝撃波 」が発生します。

これが爆音として地上に届いたものが、超音速飛行機が作り出す「 ソニックブーム 」です。

ソニックブームとは、衝撃波が生む轟く(とどろく)ような大音響のことです。

このソニックブームによって、実際にガラスが割れるなどの被害も出たようです。これは衝撃波が、地上まで減衰せずに到達したことによる被害です。

音速の 2 倍のスピードで飛行するコンコルドは「 ソニックブームの騒音 」と空気抵抗の増加による「 燃費の悪化 」などの問題から退役に至ったと言われています。

ちなみに「 雷が落ちた音 」も「 衝撃波の音 」です。

雷の速さは「 電気が伝わる速さ 」であり、これは「 光の速さ 」なので、音速よりはるかに速い「 超音速 」です。

物の硬さと音

固体の硬さを調べる最も簡単な方法は「 叩くこと 」です。

硬いものを叩けば「 高く響く音 」が出て、柔らかいものを叩けば「 鈍く(にぶく)、こもった音 」が出ます。

この理由は、物が叩かれた時の「 表面の凹み(へこみ) 」にあります。

硬いものは「 凹む量が少なく、それを回復する( 凹んだ部分が元に戻る )のにかかる時間も短い 」です。

よって硬いものは小さく凹み、素早く回復するため、その動き( 揺れ )が空気を鋭く振動させて「 高くて響きのよい音 」を生み出しています。

柔らかいものは「 大きく凹み、なかなか元に戻らない( 目に見えて回復が遅い ) 」このような動きから生じる空気の揺れ程度では、私たちは音としてあまり認識しません。

例えば「 木のまくら 」を叩くと音が響きますが、「 低反発のまくら 」を叩いても凹んだままで、なかなか元に戻らず、音もほとんど鳴りません。

音速と光速

音の速さ( 空気中 )は「 秒速 340 mほど 」で、光の速さは「 秒速 30 万 kmほど 」です。

音も日常的な速度としては、とても速い( 飛行機よりも速い )ですが、

光は非日常の速度過ぎて、想像ができないくらいケタ違いに速いです。( 1 秒間に地球を 7 周半する速さ )

比べてみると、光の速さは「 音の 88 万倍の速さ 」です。( マッハ 88 万ということ )

現状では「 光よりも速いものは存在しない 」という事になっています。未来には何か発見されているかも知れません。

この音速と光速の違いを実感できる例を紹介したいと思います。

花火と雷

花火大会などで「 打ち上げ花火 」が見えた時、音が遅れて聞こえることがありますが、これは光と音の速さの違いで起こる現象です。

打ち上げ場所に近いところから花火を見る場合には、あまり起きない現象ですが、

打ち上げ場所から離れている場合、花火が見える( 光が目に届く )のは光の速度ですが、花火の音は音の速度なので遅れてしまいます。

でもこの現象を利用して、現在地から花火の打ち上げ場所までの距離を調べることができます。

例えば、花火が見えてから 3 秒後に音が聞こえたら、花火の音は打ち上げ場所から現在地まで届くのに 3 秒かかったということです。

そして、音の速さが秒速 340 mなので、340×3 = 1020 よって現在地から打ち上げ場所までの距離は 1,020 m( 1.02 km )ほどと分かります。

「 雷(カミナリ) 」も同じです。雷も光ってから音が聞こえます。光ってから音が鳴るまでの時間が短いほど、現在地が雷の発生場所から近いので「 危険 」という事になります。

音が鳴るまでの時間( 何秒 )によって、発生場所までのおよその距離が分かるのは、花火の時と同じです。

音の 3 要素

音には「 音の違い 」が生まれる「 3 つの要素 」があります。

「 音の大きさ( 振幅 ) 」「 音の高さ( 周波数 ) 」「 音色( 波の形状 ) 」です。

音の大きさ = 振幅( 波の高さ )であり、いわゆる「 音量 」のことです。「 空気の揺れ幅の大きさ 」でもあります。( 大きければ大きな音になり、小さければ小さな音になる )

音の高さ = 周波数( 1 秒間に繰り返す波の数 ) = 振動数( 1 秒間に空気が振動する回数 )のことで「 空気が揺れる速さ 」と言えます。単位は「 Hz (ヘルツ) 」です。

これは波長が短い( 波の間隔がせまい )ほど、高い音になるとも言えます。

つまり周波数が高い( 振動数が多い、波長が短い )ほど高い音になり、周波数が低い( 振動数が少ない、波長が長い )ほど低い音になるという事です。

音の高さの違いとは「 音程( ドとレは音が違うなど ) 」のことです。また音の高さを低い順や高い順に並べたものを「 音階( スケール ) 」と呼び「 ド レ ミ ファ ソ ラ シ ド 」が有名です。

音色 = 波の形状のことで、例えば同じ音の大きさで同じ音の高さでも、ギターとピアノでは聞こえ方( 音の質 )が違います。

同じ高さの音でも、人の声やピアノの音やバイオリンの音などが、それぞれ違うのは「 波の形の違い 」によるものです。

「 人によって声が違う 」というのも、この「 音色が違う 」からです。

なので「 声の指紋 」と呼ばれる「 声紋 」として個人差が生じます。これを分析することで「 性別、顔の形、身長、年齢など 」を特定する「 声紋分析 」というものもあります。

音の違いと楽器

これら音の違いを、具体的にギター( 弦楽器 )で見てみると、

音の大きさ( 振幅 )は「 弦を弾く(はじく)強さ 」であり、音の高さ( 周波数、弦の揺れる速さ )は「 弦の太さ( 細いほど高い音 )や弦の長さ( 短いほど高い音 )や弦の張り方( ピーンと強く張るほど高い音 ) 」で変わります。

音色は「 楽器の違い( ギターの種類の違いなど ) 」です。

弦の長さとは「 振動する弦の長さ 」のことです。指で弦を押さえる場所によって振動する弦の長さが変わります。

どこも押さえない時に、振動する弦の長さは一番長く( 一番低い音 )なり、押さえる場所が弦を弾く位置に近づくほど、短く( 高い音 )なるという事です。

ギターは「 弦の張り方 」が「 チューニング( 調律 ) 」という音合わせ( 各弦の音を、それぞれ決まった高さに合わせる )の作業です。( ド レ ミを合わせるイメージ )

そして指で弦を押さえる位置を変えて「 振動する弦の長さ 」を変えていくことで、メロディが生まれ「 曲を演奏 」しています。

あとは「 弦を弾く強さ 」の微妙な違い( 弾き方の違い )によって「 個性 」が出たりします。

チューニングの音

音楽( 楽器 )のチューニングの基準となる音は「 ラ( A )の音 」です。チューニングに使う音叉( 決まった周波数の音を出す U 字型の金属の棒 )の音も「 ラ 」です。

オーケストラ( 管弦楽団 )では「 ラの音 」でチューニングします。( 管弦楽団とは管楽器、弦楽器、打楽器を演奏する団体 )( 管楽器とは管があり息を吹き込んで演奏する楽器 )

この「 ラ( A )の音 」の周波数は「 440 Hz 」です。ピアノの鍵盤でいうと、真ん中ほどに位置する基準となる「 ラ 」です。

ラの次の「 シ( B )の音 」は「 490 Hz 」で、ラの前の「 ソ( G )の音 」は「 390 Hz 」です。

また「 1 オクターブ上の音( 高い音 ) 」になると、周波数は「 2 倍 」になります。

例えば、ラの音は「 440 Hz 」なので、1 オクターブ上のラの音は「 880 Hz 」になります。

そして「 ある音 」と周波数がちょうど「 2 倍 or 半分 」になる音を、人は「 高さは違うが、同じ音 」と認識します。

よって、ある音が「 ド( C ) 」なら、1 オクターブ上の音( 2 倍の周波数 )も、1 オクターブ下の音( 半分の周波数 )も、音の高さは違うのに、同じ音名の「 ド( C ) 」と名付けられました。

ドレミとアルファベット

音楽では「 ド,レ,ミ,ファ,ソ,ラ,シ 」の 7 音を「 C , D , E , F , G , A , B 」と 7 つのアルファベットで表しますが、なぜド=Aではなくて「 ラ = A 」なのでしょうか。

一説には、古代ギリシャで使われていた弦楽器の、一番低い音を「 A 」と名付け、それが今の音でいう「 ラ 」の音だったというのが始まりのようです。

始まりとして決めた音「 A 」が「 ラ 」であり、これが「 基準の音 」にもなりました。

そこから順に「 ラ,シ,ド,レ,ミ,ファ,ソ 」の音に「 A , B , C , D , E , F , G 」とアルファベットを当てていきました。

それ以降、時代の流れの中で「 ド,レ,ミ,ファ,ソ,ラ,シ 」の順の方が使いやすく、都合が良かったようで、現在ではこの形で使うのが一般的になっています。

また、日本語の音名も「 ラ,シ,ド,レ,ミ,ファ,ソ 」を、いろは歌の最初の 7 文字「 イ,ロ,ハ,ニ,ホ,ヘ,ト 」と当てていきました。

ちなみに、いろは歌とは仮名( ひらがなやカタカナ )を重複させずに 47 文字( 五十音のヤ行のイとエ、ワ行のウを除いた 47 文字 )を使って作られた歌です。

いろは歌は「 仮名を覚えるために、古くから使われてきた 」と言われています。

この歌の最初の 3 文字が「 いろは 」であることから、「 いろは(イロハ) 」は「 物事の最初に習う部分、基礎や基本を意味する言葉 」としても使われています。

よって「 ド,レ,ミ,ファ,ソ,ラ,シ 」を日本語の音名で言うと「 ハ,ニ,ホ,ヘ,ト,イ,ロ 」となります。

これが楽譜で登場する「 ト音記号( ト長調 ) 」、「 ヘ音記号( へ長調 ) 」、「 ハ音記号( ハ長調 ) 」に使われています。

ト長調とは「 ト 」つまり「 ソ( G ) 」から始まる( ソが主役となる音、主音 )という意味で、ト音記号( G の文字を図案化、主に高音部を記すときに使われる )は「 ソ( G ) 」の位置を表します。

ヘ長調とは「 へ 」つまり「 ファ( F ) 」から始まる( ファが主音 )という意味で、へ音記号( F の文字を図案化、低音部を記すときに使われる )は「 ファ( F ) 」の位置を表します。

ハ長調とは「 ハ 」つまり「 ド( C ) 」から始まる( ドが主音 )という意味で、ハ音記号( 2 つの C を左右逆にしたような形、中音部を記すときに使われる )は「 ド( C ) 」の位置を表します。

大譜表と呼ばれる「 ト音記号とヘ音記号の五線譜が 2 段に組み合わさった楽譜 」は、ピアノなど音域が広い楽器で使われるので「 ピアノ譜 」とも呼ばれます。

この大譜表では上下 2 つの五線譜( ト音記号とへ音記号 )のちょうど真ん中の部分が、「 ハ音記号 」の「 ハ 」つまり「 ド 」の音の位置になっています。( ピアノの鍵盤での「 真ん中のド 」の位置 )

なので「 ド( C ) 」は始まりの音というよりも、「 真ん中の音 」として見ると、全体が分かりやすくなるかも知れません。

ちなみに「 ピアノ 」は音域がとても広く( ピアノだけでオーケストラの曲を演奏できる )、和音( 異なる音を同時に鳴らし、合成された音が出る )も出せることなどから「 楽器の王様 」と呼ばれています。

ピアノの仕組みは、鍵盤を押すと、その鍵に連動したハンマーが、対応する弦を叩くことで音が出る「 鍵盤楽器 」です。

また構造の特徴から「 打弦楽器 」と呼ばれることもあります。

音程とオクターブ

音程( 音の高さの違い )を表す単位は「 度( ど ) 」です。

例えば「 ドから見てミは 3 度 」と言います。この数え方は、基準となる音( 今回ならド )を 1 度と数え、レは 2 度、ミは 3 度となります。

なので「 1 オクターブ上のド 」は「 8 度 」となります。「 8 度音程( 基準となる音と 8 度音の高さが違う ) 」とも言います。( ド,レ,ミ,ファ,ソ,ラ,シ,ド で 8 度 )

この「 8 度上の音( 1 オクターブ上の音 ) 」になると「 周波数が 2 倍 」になり、「 8 度下の音( 1 オクターブ下の音 ) 」になると「 周波数が半分 」になるのでした。

そして「 8 度違う音( 1 オクターブ違いの音 ) 」を、人は高さは違うけど「 同じ音 」だと認識するのでした。

そもそもオクターブとは「 8 番目 」を意味する言葉です。

「 octave( オクターブ ) 」の「 oct 」はラテン語で「 8 」という意味なので、海の軟体生物「 タコ 」を「 octopus = オクトパス 」というのも「 8 本の足 」という意味です。

少し話が逸れますが、「 10 月 」を英語で「 October( オクトーバー ) 」というのは、大昔のヨーロッパ( 古代ローマ )では「 1 年が 10 ヶ月( ローマ暦 ) 」であったことに由来します。

「 1 年の始まりは、今でいう 3 月から 」だったのです。つまり「 1 年は春から始まり冬で終わる 」という考えでした。

今でいう「 3 月から 12 月まで 」が当時のローマでの 1 年「 1 月から 10 月まで 」というイメージです。

なので今でいう「 10 月 」は当時のローマでは「 8 番目の月 」になります。よって「 October 」です。