音に関する3つの性質を理系ライターがわかりやすくシンプルに解説！

ライター／四月一日そう

現役の大学生ライター。大学では工学部に所属しており、電気系を中心に自然法則や、電気のエネルギーについて学んでいる。アルバイトは塾講師をしており、日々高校生たちに数学や物理の楽しさを伝えている。音に関しては自作でイヤホンを作ったり、何万円もする高額なプレイヤーを集めたりと興味のある分野。

そもそも音の正体とは！？！？

image by iStockphoto

音の正体、みなさんわかりますか？音って目に見えないので実体があんまりわかんないですよね。音の正体はずばり、空気の振動です。空気の振動が私たちの耳にある鼓膜を振動させて私たちは音を感じることができます。音は空気を伝って私たちに届くわけですね！もしも仮に空気がない真空状態のなかで声を出しても振動する空気がないので声は届きません。

空気を振動させるという表現をしましたが振動というのは波と呼ぶこともできます。皆さんもテレビやカラオケなんかで音の波形を見たことがあるんじゃないんでしょうか。実はあの波形には音の情報のほとんどが詰まっているのです。

例えば1つ1つの波の間隔が狭いほど音が高くなります。これは振動数といって単位時間あたりにどれだけ波動が繰り返されるかという値で表されるのです。波の大きさは音の大きさですね。振幅という値で呼ばれます。あとは細かい波形の形で音色だったり声色が決まるようになっているのもおもしろいですね。

それでは次から音は空気を伝って遠くまで届くということをふまえて3つの大きな特徴を1つ1つみていきましょう！

回折

まず最初の波の性質は回折です。これは音が波として空気中を伝わるからこそ起こる現象なんですね。どんな現象かというと回折とは音が伝わる先に障害物があったとしてもその障害物を周りこんで先まで音が伝わるということをいいます。

これは水の波でも観測することのできる現象です。しかしこの現象が起きるにはある条件があります。その条件というのは障害物の隙間に対して波長が長いことです。例えば光も波の性質を持っていますが波長が音に比べて短いため障害物に回りこんで光を届けるということはありません。音が高い壁の向こうから聞こえる、なんてことがあるのもこの回折という現象によるものなのです。

ちなみに電波でも回折は発生します。いままでののことから考えると電波は波長が長いほど回折が起こって遠くまで届きやすいということが考えられますね。これは実際の携帯の電波でも用いられています。各携帯キャリアがつながりやすい電波というのを打ち出していますがそれは波長の長い低周波の電波をつかっているのです。

「ドップラー効果」を原理から例題まで詳しく理系学生ライターがわかりやすく解説!

音の屈折

image by iStockphoto

次の性質は音の屈折です。音が屈折するの？とびっくりした人もいるかもしれません。屈折といえば光の屈折が有名ですからね。しかし屈折するのは光だけではありません。音も光も同じ波なのでだいたい似通った性質を持つんですね。それでは音の境界面とは何でしょう？光だと水と空気の境界、空気中と真空の境界などがありましたね。音の場合の主な境界面は温度の境界です。音は空気の温度によって伝わる速さが違います。暖かい空気のほうが伝わるのが速いです。この速さの違いから音も屈折するのですね。

1つ例を挙げましょう。皆さんは寒い冬の夜になんだか遠くの音まで聞こえた経験はないでしょうか？これも実は音の屈折が関係しています。冬の夜は空中よりも地面のほうが温度が低くなるのですが、それにともなって音が屈折して本来空に向かって進むはずだった音が地面の方向に向かって伝わるのです。それで遠くの地上にいる私たちの耳に届くわけですね。

うなり

image by Study-Z編集部

最後に3つ目の性質であるうなりについて一緒に見ていきましょう。うなりというのは皆さん聞いたことはあるでしょうか？2つの音源があったときにたまにうおーんうおーんという音が聞こえる現象です。

このうなりという性質も音が波であるということからきています。波には2つ以上の発生源があった場合その2つの波が干渉しあうという性質がありますね。波がぶつかったときの振動数の兼ね合いで波が強め合ったり弱め合ったりすることです。音がぶつかって強め合ったり弱め合ったりした波が私たちの耳に届いてうおーんうおーんと聞こえるわけですね。

うなりの起こる原因は振動数の違いに由来します。振動数の違いから2つの波が合わさってできる合成波に振動の大きい部分と小さい部分ができるんですね。うなりが発生する原因はこの振動の大きい部分。振幅が大きくなるので大きな音が周期的に聞こえます。

このうなりの現象は実は数式でも表すことができるんです！うなりの起こる原因は振動数の違いに由来すると説明しましたが2つの波の振動数で合成波の振動数を表すことができます。fを合成波の振動数、f1,f2が合成前の波の振動数です。この式が何を表しているのかというと2つの波の振動数の差がそのまま合成波の振動数になるということですね。

音の本質

これまで音の性質についてみてきました。

3つの性質を見ていただけるとわかるとおもいますが音の性質とは音が波であることに由来するものだとわかっていただけたかと思います。しかし、歴史的には音は最初から空気の振動ということがわかっていたのではなく、真空中で音が伝わらないことが実験で判明したことによりわかったことなのです。それから、音は波と酷似している性質が見つかり波であると判明しました。

このように最初は得体のしれないものでも実験や考察を重ねることにより正体が明らかになっていくのも科学のおもしろさですね！ぜひみなさんも身の回りの不思議に思ったことを調べてみてください。