中学受験理科｜ハーモニカは何が振動する？｜金属のリードと音の高さ

ハーモニカに息を吹き込むと音が出ますが、何が一秒間に何百回も動いているのでしょう。内部には細い金属の舌のような板、リードがあります。空気の流れによってリードが振動し、周囲の空気の圧力を変化させて音を生みます。息がそのまま音の粒となって耳へ飛んでいくわけではありません。音を出す物、振動を伝える空気、エネルギーを与える息を区別すると、楽器の説明が整理できます。

リードは弁のように流れを変える

フリーリードでは、片側が固定された薄い金属片が枠のすき間を行き来します。金属片が動くことで空気の通りやすさが周期的に変わり、音の振動と結び付きます。金属板をただ風の下流へ押し倒すだけなら、押された位置で止まるはずです。実際には、板の弾性で戻る動きと空気の流れが組み合わさり、振動が続きます。

リードの長さ、厚さ、形、材質は振動のしやすさに関係します。ただし、ハーモニカの音程を長さだけの単純な反比例として決めないようにします。同じ材質・幅・厚さをそろえた比較なのか、音ごとに形を調整した製品の比較なのかで読み方が変わります。以下の数値は振動回数を読むための架空の測定値であり、特定の楽器の規格ではありません。

金属の板が空気の通り方を変える。数値は本文の例題模型。形は模式図です。

例題1｜短い時間の振動を一秒へ戻す

リードAは0.02秒間に8往復、Bは同じ時間に12往復しました。一秒あたりの振動回数を求め、どちらの音が高いか答えてください。ここで一往復を一回の振動と数えます。

答え・解説：Aは8÷0.02＝400回、Bは12÷0.02＝600回です。振動数の多いBが高い音です。8と12をそのまま一秒間の回数にしないように、観察時間を書き添えます。往きと帰りを二回に数えて800回、1200回とすると、設問が定義した一振動とずれてしまいます。

例題2｜音が大きくなったときの周期

Aを弱く鳴らしたときも強く鳴らしたときも、波形の山から五つ先の山までの時間は0.0125秒でした。ただし強く鳴らすと波形の振れ幅が大きくなりました。振動数と、この資料から言える音の変化を説明してください。

答え・解説：山から五つ先までには五周期が含まれます。一周期は0.0125÷5＝0.0025秒なので、振動数は400回毎秒です。振れ幅が増えたことは音の大きさの変化に対応し、この記録では周期は変わっていません。息を強くしたから必ず音が高くなった、と決めないことが大切です。

吹く音と吸う音を一枚の板で説明しない

一般的なハーモニカには、吹いたときと吸ったときに主に働くリードが分けて配置されています。息の向きを変えたら音が変わる現象を、一枚の板が逆向きに振動したから音程が反転する、と説明すると不正確になります。断面図に複数のリードが描かれていたら、空気の流路と動く板をそれぞれ対応させます。

口や空気室の状態も音へ影響するため、楽器全体の音はリード単体だけで決まるわけではありません。一方で、瓶の口へ息を吹きかける場合と同じ仕組みとするのも早計です。瓶の例では主に空気の振動系を考え、ハーモニカでは金属のリードという目に見える振動体があります。どちらも息を使う道具でも、比較する部分を変える必要があります。

録音波形に細かい山が重なっているときは、最も近い山同士をむやみに選ばず、波形全体の形が繰り返す間隔を探します。音色に関係する細かな形と、基本的な周期を区別するためです。測定図に一周期の印があれば、それを基準として数えましょう。楽器名を知らなくても、動く物と時間軸が読み取れれば計算できるのが、資料から考える理科の面白いところです。

音を録った場所も実験条件になる

マイクを楽器から離せば、録音の振れ幅が小さくなることがあります。リードの動きそのものが弱くなったとは限りません。音の大きさを比べるなら、吹き方に加えてマイクとの距離や向き、録音装置の設定をそろえます。自動で音量を調節する機能があると、強く吹いた音と弱く吹いた音が同じ高さの波形に見える場合もあります。記録装置を通した図と、現象そのものの変化を区別して読みましょう。

一つの穴から二種類の音が出る場合、吹く側のリードと吸う側のリードの長さや形が違っていれば、空気の方向だけが原因の比較にはなりません。同じリードへ逆向きに風を当てる実験と、二枚のリードを使い分ける楽器の操作は、変えている条件が異なります。断面図にAとBの二枚が描かれているのに、両者を一枚の板として計算すると、音程の説明がつながらなくなります。

周期を求めるとき、一つの細い山だけを読めば時間幅が小さく、目盛りの誤差が相対的に大きくなります。同じ形の山をいくつかまとめて測り、区間数で割る方法は、その読取りを安定させる工夫です。ただし六つの山の最初から最後までには五区間しかありません。山の個数と間隔の数を分け、始点と終点に印を付けてください。リードの往復を直接写した動画でも、端に来た回数と往復数を同じにしない点は共通します。波形、実物の板、音の高さを三つの別資料として対応させると、単なる回数の暗記から抜け出せます。