音の大きさ・高さと振動数
音には「大きい/小さい」「高い/低い」「澄んだ/濁った」といった違いがあります。これらを物理量で表現してみましょう。
基本知識
音の3要素:
① 音の大きさ ← 振幅(振動の幅)で決まる。振幅が大きい=大きい音。
② 音の高さ ← 振動数(周波数)で決まる。振動数が大きい=高い音。
③ 音色 ← 波形で決まる。同じ音の高さでも楽器ごとに波形が違う。
振動数の単位はヘルツ(Hz)で、1秒間に何回振動するかを表します。人の耳に聞こえる音の範囲は約20Hz〜20000Hz(20kHz)です。
波の波長 λ(波1個分の長さ)・振動数 f・速さ v には次の関係があります: v = fλ
📘 重要用語
振幅（振動の中心から最大変位までの幅。音の大きさを決める）
振動数（周波数）（1秒あたりの振動回数。単位は Hz ）
周期 T（1回の振動にかかる時間。
波長 λ（波1個分の長さ。隣り合う山と山の距離）
音色（波形の違いによる音の質。楽器ごとに異なる）
超音波・低周波音（20000Hzより高い音・20Hzより低い音）
振幅（振動の中心から最大変位までの幅。音の大きさを決める）
振動数（周波数）（1秒あたりの振動回数。単位は Hz ）
周期 T（1回の振動にかかる時間。
T = 1/f）波長 λ（波1個分の長さ。隣り合う山と山の距離）
音色（波形の違いによる音の質。楽器ごとに異なる）
超音波・低周波音（20000Hzより高い音・20Hzより低い音）
深掘り (背景・意義)
オシロスコープで音の波形を観察すると、振動を時間軸上のグラフとして見ることができます。同じ「ラ」の音(振動数440Hz)でも、ピアノとバイオリンとフルートで波形が違い、それが音色の違いです。
ピアノの中央のラ(A4)は440 Hz、1オクターブ上がるごとに振動数は2倍になります(A5=880Hz、A6=1760Hz...)。これは「2倍は同じ音名」という音楽の不思議を物理的に説明します。
20000Hzを超える超音波はイルカ・コウモリの認識やエコー検査に、20Hz以下の低周波音は地震計や工業機械の振動測定に使われます。
💡 ポイント
- 音の3要素: 大きさ・高さ・音色
- 音の大きさ ← 振幅
- 音の高さ ← 振動数 (Hz)
- 音色 ← 波形
- 人の可聴範囲: 約20Hz〜20kHz
- 波の式:
v = fλ - 1オクターブ上=振動数2倍 (A4=440Hz, A5=880Hz)
注意点 (混同しやすい)
① 大きさ=振幅、高さ=振動数。「大きい音」と「高い音」は別の物理量。② 振動数 f と周期 T は逆数の関係 T = 1/f。③ 同じ音の高さでも楽器が違えば波形が違う→これが音色。④ 超音波は人が聞こえない高い音(20kHz以上)、低周波音は人が聞こえない低い音(20Hz以下)。
練習
- 振動数の単位を答えなさい。
- 音の大きさは何で決まるか。
- 振動数が440Hzの音について、1オクターブ高い音の振動数を答えなさい。