高校物理基礎

音とは

この記事で学べる内容

音とは

音速の公式

音の3要素

物理基礎の波の後半は音について勉強します。
音とは何なのか,音速について,うなりについて,楽器はどうして音が鳴るのか(固有振動・共振・共鳴)という内容です。

今回は,そもそも音とは何なのか,音速の公式,音の3要素について,わかりやすく簡単に解説をしていきます。

音とは

音波

空気などが疎密波として伝わること

音波とは空気の振動が伝わる波の一種のことです。
空気が媒質なので,真空中では音は伝わりません。また,音波は疎密波(縦波)であるという特徴を持っています。

ちょっとした補足

少し正確に説明すると,音波とは媒質の密度のムラが伝わる現象のことをいいます。
また,音波は空気だけではなく,空気以外の気体や液体・固体なども伝わることができます。
さらに,固体中を伝わる音波は縦波だけではなく,ねじれ波という横波も存在しています。

高校レベルでは,音波は空気の疎密が伝わっている縦波と思っていただければ大丈夫だと思います。

音速とは

音速V[m/s]

音の速さのこと

空気の温度か高ければ高いほど速くなる

$$V=331.5+0.6t$$

(t:セルシウス温度[℃])

音の速さのことを音速といいます。
音速は温度が高ければ高いほど速くなり,\(V=331.5+0.6t\)という式で表されます。

この式は導き出せるものではないので,覚えておくしかありません。

15℃のときの音速は,

$$V=331.5+0.6t\\
V=331.5+0.6×15\\
V=340.5m/s$$

であり,温度のことを気にしないときは,単純に音速を340m/sとします。

音速は,温度だけではなく,気体の種類や湿度によっても影響するのですが,高校物理では,乾いた空気中での音速しか考えません。
なお,水中や固体中の音速は,空気中の音速よりも速くなりますが,高校物理ではあまり扱いません。

音の3要素とは

音の3要素

私たちが音の違いを認識する3つの要素

大きさ・高さ・音色のこと

音の3要素とは,私たちが音の違いを認識する3つの要素のことであり,音の大きさ・音の高さ・音色のことをいいます。

音の3要素とは_音の大きさ

音波の振幅の大きさを,私たちは音の大きさとして認識します。
単純に,振幅が大きければ大きいほど,大きな音として感じます。
細かい話をすると耳の構造の話になってしまうのですが,音波は空気の圧力の疎密波であるため,振幅の大きさは空気の圧力変化の大きさに影響します(音圧という言葉もありますよね)。
私たちの耳は,空気の圧力変化を刺激として受け取ることができます。

音の3要素とは_音の高さ

振動数の高さを,私たちは音の高さとして認識します。
振動数が高ければ高いほど,高い音として感じます。

人が聞くことのできる振動数の範囲のことを可聴域といい,その範囲は20~20000Hzとなっています。
簡単にいうと,人間は20Hz以下の音と2万Hz以上の音を聞くことができないということです。
特に,2万Hz以上の音のことを超音波といいます。日常生活でもたまに聞く言葉ですよね。

音の3要素とは_音色

音の波形が異なると,音色が違うように感じます。
同じ高さ・大きさの音でも,ギターとピアノでは音の感じが違いますよね。

高校物理では,波形が綺麗な正弦波ばかり出てきますが,本当は色々な形をした波がたくさんあります。

例題

花火が光ったのを見てから,10秒後に花火の音が聞こえてきた。このとき,花火が光った地点までの距離は何mか答えなさい。ただし,気温は30℃とする。

解答

光の速さは3.0×108m/hなので,光は一瞬で届いたと考えます。
また,音速は\(V=331.5+0.6t\)を使って求めます。

$$V=331.5+0.6t\\
V=331.5+0.6×30\\
V=349.5m/s$$

$$x=349.5×10\\
x=3495$$
∴3495m

まとめ

音波は疎密波(縦波)であり,空気の振動が伝わる現象です。
音速は\(V=331.5+0.6t\)であり,温度が高ければ高いほど速くなります。
音の3要素は,音の大きさ・音の高さ・音色のことであり,それぞれ振幅・振動数・波形が関係しています。

 

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