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かがくのたまご

管楽器(Physics Class on Sound Wave and Musical Instruments)
30年2月22日 理科 猪鼻 真裕(Masahiro Inohana)

物理基礎の音波の授業では、楽器についての話題も扱います。


楽器が奏でる音の高さには、楽器の大きさが関係します。バイオリン、ヴィオラ、チェロ、コントラバスの弦楽器が好例ですね。みなさんの中にも、ティッシュの空き箱に輪ゴムを通した経験がある人がいるのではないでしょうか?


しかし、管楽器の場合はどうでしょう。実は、クラリネットのB♭管はフルートとほぼ同じ長さなのに、フルートより1オクターブ低い音を出すことができます。これは、管楽器の構造と関係しています。管楽器には、管の両端が開いている開管と、管の一方が閉じている閉管の2種類があるのです。





2つの図を見比べることにより、閉管楽器の方が波長が長いことが分かり、音速が等しい場合には、振動数が小さくなることが計算できます。クラリネットは閉管楽器で、フルートは開管楽器なのですね。日常の経験と、教科書の内容が結びついていくといいですね。



疎密波をMagic Spring で演示しているところ



The pitch of the sound produced by a musical instrument is related to the size of the instrument. String instruments, such as Violin, Viola, Cello and Contrabass, are good examples of this. The larger the instrument is, the lower the pitch of the sound it produces. Have you tried an experiment of producing sound using a rubber band over an empty tissue box? It actually mimics how string instruments work.


How about wind instruments? If we compare a flute with a clarinet of a similar size, both can produce the same note, e.g. a B♭ note, but the clarinet’s note will be one octave lower than the flute’s, i.e. the frequency of the clarinet’s note is half that of the flute’s. Why is this so? This is due to two kinds of end conditions existing for wind instruments: both ends open (flute) and one end closed (clarinet), as shown below.


diagrams


As shown in the diagrams above, the standing wave formed within the clarinet has a longer wavelength, twice as long to be precise, despite both instruments having the same length. Assuming the speed of sound is the same in both instruments, the frequency of the note produced by the clarinet will consequently be half that of the flute.


In this lesson, the theory on standing wave explained in the textbook is elaborated with real-world experience that the students can observe.


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