こんにちは、サイレントプロバイダーのMです。
今回は、小学校高学年から中学生向けの自由研究として、身近な材料でできる「音」に関する実験を2つご紹介します。
一つ目は、スピーカーに段ボール箱やホーンを組み合わせ、形による音の違いを調べる実験です。
二つ目は、声の振動で膜の上の塩を動かし、普段は目に見えない音の振動を観察する実験です。
結果を記録するだけでなく、「なぜ違いが生まれたのか」まで考えることで、内容の充実した自由研究になります。
①スピーカーボックスの形で音はどう変わる？
100円ショップなどで販売されている小型のBluetoothスピーカーを段ボール箱に入れたり、紙コップで作ったホーンを付けたりすると、音の大きさや聞こえ方は変わるのでしょうか。
完成品のスピーカーは分解せず、周囲に取り付ける箱や筒の形だけを変えて比較します。
1．実験に使うもの
・小型Bluetoothスピーカー
・スマートフォン2台
・段ボール箱
・紙コップ
・厚紙または画用紙
・トイレットペーパーやキッチンペーパーの芯
・フェルトまたはスポンジ
・テープ
・はさみまたはカッター
・定規
・騒音計アプリ
スマートフォンは、1台で音を流し、もう1台の騒音計アプリで測定します。
スマートフォンが2台ない場合は、パソコンやタブレットから音を流し、スマートフォンで測定しても構いません。
小型Bluetoothスピーカーは、100円ショップや家電量販店、インターネット通販などで販売されている完成品を使用します。
充電池が内蔵されている製品もあるため、分解したり、本体に穴を開けたりしないでください。
2．形の違うスピーカーボックスを作ろう
まずはスピーカーに何も付けずに音を流し、基準となる音を確認します。
次に、100円ショップなどでそろえられる材料を使い、形の異なるスピーカーボックスを作ります。
■段ボール箱型
段ボール箱の正面に穴を開け、中にスピーカーを置きます。
音が穴から前へ出るように、スピーカーの向きを調整しましょう。
■紙コップのホーン型
紙コップの底を切り抜き、スピーカーの音が出る面の前に置きます。
紙コップの広がった形によって、音が前方へ集まりやすくなるかを調べます。
■厚紙のラッパ型
厚紙や画用紙を円すい状に丸め、細い側をスピーカーの前に置きます。
ラッパの長さや、出口の広さを変えて比較しても面白いでしょう。
■筒付きの箱型
段ボール箱に穴を開け、トイレットペーパーやキッチンペーパーの芯を差し込みます。
筒の長さによって、特定の高さの音が強く聞こえるかを調べます。
箱や筒はスピーカーへ直接貼り付けず、簡単に交換できるように作りましょう。
3．同じ条件で音を比べよう
実験では、次の条件をそろえます。
・流す音
・スピーカーの音量
・スピーカーの位置
・測定する場所
・スピーカーから測定位置までの距離
・部屋の環境
スピーカーから50cmまたは1m離れた位置に、騒音計アプリを入れたスマートフォンを置きます。
次の順番で音を測りましょう。
1．Bluetoothスピーカーのみ
2．段ボール箱型
3．紙コップのホーン型
4．厚紙のラッパ型
5．筒付きの箱型
それぞれ3回ずつ測定し、平均値を求めます。
音楽は時間によって音量が変わるため、比較するときは一定のテスト音やピンクノイズなどを使用すると、結果をまとめやすくなります。
騒音計アプリは正式な測定器ではないため、表示された数値そのものではなく、同じ端末と同じ条件で測定したときの差を比べましょう。
4．結果を考察しよう
次のような項目を記録します。
・音の大きさ
・低い音と高い音の聞こえ方
・声の聞き取りやすさ
・音のこもり方
・正面と横で聞いたときの違い
さらに、次のような条件も比較できます。
・大きい箱と小さい箱
・長いホーンと短いホーン
・出口が広いホーンと狭いホーン
・フェルトを入れた場合と入れない場合
・スピーカーの正面と横で測定した場合
一度に複数の条件を変えると、何が結果に影響したのか分からなくなります。変更する条件は一つずつにしましょう。
箱やホーンは、電気の力でスピーカーの出力を大きくするものではありません。
音が進む方向や、箱の中での響き方を変えることで、音の大きさや聞こえ方に違いが生まれます。
②音で塩を動かそう！膜の張り方で振動は変わる？
音は空気の振動です。
その振動を薄い膜へ伝えると、膜の上に置いた塩が跳ねたり、移動したりします。
100円ショップでそろえられる材料を使い、声の高さや膜の張り方によって、塩の動きがどのように変わるかを調べてみましょう。
1．実験に使うもの
・プラスチック製のボウル
・黒いビニール袋または風船
・太い輪ゴム
・塩
・厚紙または画用紙
・テープ
・定規
黒い膜を使うと、白い塩の動きが見やすくなります。
スマートフォンがある場合は、周波数測定アプリやスローモーション撮影を使うと、より詳しく記録できます。
2．振動を観察する装置を作ろう
黒いビニール袋を、ボウルより少し大きめに切ります。
ボウルの口にピンと張り、太い輪ゴムで固定します。表面にしわができないよう、少しずつ引っ張りながら張りましょう。
膜の上には、表面がうっすら白くなる程度の塩をまきます。塩が多すぎると動きにくくなるため、少量ずつ載せてください。
次に、厚紙を円すい状に丸め、声を膜へ届けるためのメガホンを作ります。
3．声の高さや膜の条件を変えよう
メガホンの先を膜から10cm程度離し、膜に向かって「あー」と声を出します。
次の条件で塩の動きを比べてみましょう。
・低い声
・普段の高さの声
・高い声
同じ人が、同じ距離から、できるだけ同じ大きさの声を出します。
それぞれ3回ずつ試し、塩が動いた範囲や跳ね方を記録しましょう。
さらに、次のような条件も比較できます。
・膜を強く張った場合と、少し緩く張った場合
・小さいボウルと大きいボウル
・ビニール袋と風船
・塩と砂糖
条件を比べるときは、声を出す距離や粒の量など、ほかの条件をそろえてください。
4．結果を考察しよう
次の項目を表にまとめます。
・声の高さ
・膜の張り方
・ボウルの大きさ
・塩が動いた範囲
・塩の跳ね方
・気付いたこと
次のような点について考えてみましょう。
・どの高さの声で塩が最も大きく動いたか
・膜を強く張ると、反応しやすい音の高さは変わったか
・ボウルの大きさで塩の動きは変わったか
・声を高くした場合と、大きくした場合では何が違ったか
声による空気の振動が膜へ伝わり、膜が動くことで塩も跳ねたり、移動したりします。
また、膜には振動しやすい音の高さがあります。膜の大きさや張り方を変えると、振動しやすい条件も変化します。
実験するときの注意
小型Bluetoothスピーカーは、分解や改造をせず、完成品のまま使用してください。
音量を上げすぎず、大きな音を長時間聞かないようにしましょう。
カッターを使用する場合は、必ず保護者の方と一緒に作業してください。
実験に使用した塩や砂糖は、衛生上、食べないようにしてください。
まとめ
今回は、スピーカーボックスの形による音の違いと、声によって膜の上の塩を動かす実験をご紹介しました。
一つ目の実験では、箱やホーンの形によって、音の大きさや進む方向、響き方が変わるかを調べられます。
二つ目の実験では、普段は目に見えない音の振動を、塩の動きとして観察できます。
実験の前に予想を立て、写真や数値を記録し、予想と違った結果についても理由を考えてみましょう。
安全に注意しながら、夏休みならではの音の実験に挑戦してみてください。
皆さんの自由研究の参考になればうれしいです。