学習・あそび

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学習・あそび

音が出ます。はじめは小さな音で鳴ります。

440 Hz

← 低い音（波はゆったり）高い音（波は細かい）→

実験のしかたと説明

音の波形ラボ

音叉をたたく、一弦琴をはじく、発振器を鳴らす。すると、目に見えない音のふるえが、オシロスコープの緑の線になって映ります。高さを変えると波の細かさが、大きさを変えると波の高さが変わります。机の上の小物も、さわったり動かしたりできます。部屋のあちこちに、ちょっとしたしかけもあります。

いま見ている音

440Hz 発振器・ラ（A4）あたり
1秒間に 440回 ふるえる音

オシロスコープの画面（横 20ミリ秒）に、波が 8.8個 入ります。

高い音ほど、波が細かく見えるのはなぜ？

画面の横はいつも同じ長さの時間です。その時間の中に、1秒間に440回ふるえる音なら440回ぶんの割合で、 880回ふるえる音なら2倍の数の波が入ります。だから、高い音ほど1つ1つの波はせまく、細かく見えます。

計測

音の出どころ発振器
高さ（決めた値）440 Hz
オシロで測った高さ-
1つの波の時間（周期）2.27 ms
画面の中の波の数（理論）8.8
画面の中の波の数（測定）-
空気中の波長（音速340m/s）77.3 cm
いちばん近い音名ラ（A4）

「測った高さ」は、オシロスコープの線が下から上へ0を横切る間かくから計算しています。音叉や弦の音は、だんだん小さくなって測れなくなると「-」になります。音叉の余韻と発振器を同時に鳴らすと、画面には2つの音を足し算した波が映り、測った高さもまざった音のものになります。

マイクで音を見る

マイクの音は録音・送信されません。

マイクをオンにすると、オシロスコープに自分の声や楽器の音の波形が映ります（「詳しく」ではスペクトルも）。低い声と高い声、「あ」と「い」で、波の形がどう変わるか見てみましょう。

マイクを許可しなくても、音叉・一弦琴・発振器はすべて使えます。

波形とスペクトル

波形（横＝時間・縦＝音の大きさ）
周波数スペクトル（どの高さの音がふくまれるか／横＝音の高さ・縦＝強さ）

矩形波やのこぎり波、一弦琴の音では、いちばん左の山のほかに、2倍・3倍…の高さにも山（倍音）が並びます。サイン波と音叉は、ほぼ1本だけです。

すべてブラウザ内で処理・音声やデータは送信されません（録音・保存なし）

TROPHIES 0 / 0

    トロフィーは、このブラウザに保存されます。

    音の三要素 — 高さ・大きさ・音色

    音は、空気のふるえ（波）が耳にとどいて聞こえます。その音は、次の3つのことで決まります。このラボで、3つを1つずつ変えて確かめてみましょう。

    高さ＝周波数

    1秒間に波が何回繰り返すか（Hz＝ヘルツ）。回数が多いほど波は細かく、音は高くなります。

    大きさ＝振幅

    波の縦の高さ（振幅）。高いほど大きい音になります。周波数はそのままで、縦の大きさだけが変わります。

    音色＝波の形

    波の形（サイン・三角・矩形・のこぎりなど）。高さと大きさが同じでも、形が違うと違う音色に聞こえます。

    使い方

    実験のしかた

    ① 音叉をたたく

    1. 机の左の音叉をクリック（タップ）すると、ゴムのハンマーでたたいて鳴らします。大きい音叉は440Hz（ラ）、小さい音叉は880Hz（1オクターブ上のラ）です。
    2. オシロスコープに、きれいなサイン波に近い波が映ります。音がだんだん小さくなると、波の高さも低くなっていくのが見えます。
    3. おもりのついた音叉は、おもりをクリックすると付けたり外したりできます。おもりを付けると少しだけ低い音（436Hz）になります。440Hzの音叉と一緒に鳴らすと、音が「ウワン、ウワン」と1秒に4回ふくらむ「うなり」が聞こえます。横の1目盛りを20msにすると、波の山がふくらんだりしぼんだりする様子が見えます。

    ② 一弦琴（モノコード）をはじく

    1. 手前の長い箱の弦をクリック（タップ）すると、弦をはじきます。何もしないときの高さは220Hzです。
    2. 白い駒をドラッグして左右に動かすと、ふるえる弦の長さが変わります。箱の目印（1/2・2/3・3/4・4/5）の近くでは、ぴたりと止まります。
    3. 長さを半分（1/2）にすると440Hz、ちょうど1オクターブ上になります。大きい音叉と同じ高さです。

    ③ 発振器を鳴らす

    1. 画面の下の「発振器の高さ」で高さを、「波の形」で音色を決めます。
    2. 「音量」を小さいところにしてから「鳴らす」を押します。少しずつ音量を上げて、ちょうどよい大きさにします。机の上の発振器のつまみをドラッグしても変えられます。
    3. 高さを変えると波の細かさが、音量を変えると波の縦の大きさが、形を変えると波の形が変わるのを確かめましょう。
    4. 終わったら「止める」を押します。ほかのタブに移ったり、ページを閉じたりしても、音は自動で止まります。

    ④ マイクで音を見る

    1. 画面の下の「マイク」か、「マイクで音を見る」のボタンを押して「許可」を選びます。
    2. オシロスコープに、マイクで拾った音の波形が映ります。手をたたく・声を出す・楽器を鳴らすと、形が変わります。「詳しく」では周波数スペクトルも見られます。
    3. 終わったら、もう一度「マイク」を押して止めます。マイクの使用も止まります。

    視点を動かす

    • 背景を横にドラッグすると机のまわりを回りこみ、上下にドラッグすると視点の高さが変わります。うんと下げると、机の下ものぞけます。
    • トラックパッドのピンチ、Ctrl（⌘）＋ホイール、スマホの2本指で寄れます。背景をダブルクリック（ダブルタップ）すると元の視点に戻ります。
    • キーボード：机を選んだ状態で、スペースキーで音叉をたたく、Pキーで弦をはじく、Enterキーで発振器を鳴らす・止めることができます。

    「高い音は波が細かい」とは？

    周波数は「1秒間に波が何回繰り返すか」を表し、単位はHz（ヘルツ）です。 20Hzなら1秒間に20回、2000Hzなら1秒間に2000回もふるえています。 オシロスコープの画面の横は、いつも同じ長さの時間です（1目盛り2ミリ秒なら、画面全体で20ミリ秒）。 同じ時間の中で比べると、高い音ほど波の数が多く、1つ1つの波はせまく（細かく）なります。 440Hzなら8.8個、880Hzならその2倍の17.6個の波が入ります。 人が聞こえる音は、だいたい20Hzから20000Hzくらいまでといわれています。

    波の形と音色

    サイン波は一番単純でまるい形の波で、やわらかいすんだ音がします。音叉の音は、サイン波にとても近い波です。 矩形波は上と下を行き来する角ばった波で、ブザーのようなするどい音に聞こえます。 三角波はその中間くらいの音色、のこぎり波はざらっとした明るい音です。 実は矩形波や三角波、のこぎり波は、たくさんのサイン波（倍音）が重なってできています。 「詳しく」のスペクトルを見ると、1つの高さだけでなく、2倍・3倍…の高さにいくつもの山（倍音）が出ているのが分かります。 一弦琴の音にも倍音がたくさんふくまれていて、それが弦楽器らしい音色になります。

    弦の長さと音の高さ（ピタゴラスの発見）

    古代ギリシャのピタゴラスは、一弦琴（モノコード）を使って、弦の長さを簡単な比にすると、きれいに響き合う音になることを見つけたと伝えられています。 長さを1/2にすると1オクターブ上、2/3にすると「ド」に対する「ソ」の関係（完全5度）、3/4にすると「ド」に対する「ファ」の関係（完全4度）になります。 このラボの一弦琴でも、駒を目印に合わせてはじくと確かめられます。

    自由研究のヒント

    • 440Hzと880Hz（2倍）を聞き比べて、「1オクターブ高い」とはどういうことか、波の数で説明する。
    • 一弦琴の駒を1/2・2/3・3/4に合わせ、オシロスコープで測った高さを表にまとめる。
    • 同じ高さのまま、サイン波・三角波・矩形波・のこぎり波を聞き比べて、音色の違いを言葉で書き、スペクトルの山の並びと比べる。
    • 440Hzの音叉と、発振器の441Hz・442Hz・444Hzを一緒に鳴らして、うなりの回数がどう変わるか数える。
    • マイクでいろいろな母音（あ・い・う・え・お）を出して、波形とスペクトルの形をスケッチして見比べる。

    よくある質問

    マイクの音はどこかに送信されますか？録音されますか？
    送信も録音もされません。マイクの音はすべてお使いのブラウザの中だけで波形とスペクトルに変えて表示するだけで、外部のサーバーに送られたり、保存されたりすることは一切ありません。マイクを止めたり、ページを閉じたりすると、マイクの使用も止まります。音叉・一弦琴・発振器はマイクをまったく使わないので、マイクを許可しなくても全部の実験ができます。
    音が出ません。どうすればいいですか？
    まず右上の音ボタンがONになっているか確かめてください。音がOFFのときは、スピーカーからは鳴らさずに、オシロスコープに波の形だけを映します。次に、音量スライダーが0になっていないか、パソコンやスマホ本体の音量・マナーモードを確認してください。iPhone・iPadで鳴らないときは、本体の消音スイッチも確認してください。ブラウザのきまりで、STARTを押す前は音を出せません。
    耳やスピーカーをいためませんか？
    はじめは小さな音で鳴るようにしてあり、どの音にも大きさの上限をつけています。それでも、イヤホンやヘッドホンを使うときは、発振器の音量を一番小さいところから少しずつ上げてください。とても高い音（2000Hzに近い音）や大きい音を長い時間出し続けるのはおすすめしません。周りに人がいるときは音量に気をつけましょう。
    オシロスコープに映っている波は本物ですか？
    本物です。音叉・一弦琴・発振器などの音を、ブラウザの中で実際に音の信号として作り、その信号をそのまま測って画面に描いています（AnalyserNode という音を測る仕組みを使っています）。画面の横は時間で、1目盛りが何ミリ秒かは画面の左下に出ます。たとえば1目盛り2ミリ秒（画面全体で20ミリ秒）のとき、440Hzの音なら 440×0.02＝8.8個の波が入ります。
    波の形（音色）を変えると何が変わりますか？
    音の高さ（周波数）と大きさ（音量）が同じでも、波の形が違うと「音色」が違って聞こえます。サイン波はまるくてやわらかい音、矩形波（しかくい波）はブザーのようなするどい音、三角波はその中間くらいの音、のこぎり波はバイオリンのようなざらっとした音です。同じ高さのまま形だけ切り替えて、聞き比べてみましょう。
    一弦琴の駒を動かすと、なぜ音の高さが変わるのですか？
    弦がふるえる長さが変わるからです。弦の上を波が行ったり来たりする時間は、弦の長さに比例します。長さを半分にすると、行って帰る時間も半分になり、1秒間にふるえる回数（周波数）は2倍、つまり1オクターブ上の音になります。このページの一弦琴は、弦の上を往復する波をそのまま計算して音を作っているので、駒の位置だけで高さが決まります。
    iPhoneやAndroidのスマホでも使えますか？
    使えます。音叉・一弦琴・発振器はスマホのブラウザでもそのまま動きます。マイクを使う機能は、iPhone・iPadのSafari、AndroidのChromeなどで動き、はじめに「許可」を選ぶとマイクが使えます。3Dの表示にはWebGLという仕組みを使っているので、古い端末では表示できないことがあります。