音 と電波の共鳴分離の実験

音と電波の共鳴分離の実験の装置の作成
北海道札幌南陵高校

菅原

陽

音と電波の共鳴を直感的に説明できる装置として音分離器と携帯電話の「光るアンテナ」を物理実験に利用する例を紹介し、作成を試みました。直接目で見ることの難しい音波と電波の「共鳴」の現象を直感的に理解できるものと思います。

３

１．はじめに

電波の共鳴

実験１

私たちの使用する携帯電話は８５０メガＨｚ付近の領携帯電話の電波で発光ダイオードが光ります。その使用域と１．５ギガＨｚ付近に各社の電波の使用領域が割り電波帯域の種類により、携帯電話のメーカーや型番がに当てられています 。この周波数の電波の共鳴を利用して 、より反応するアンテナの長さ異なります。

私たちは発信局からの信号を受け取り、さらに音（空気振動）に変換して、耳で聞きとります。音も電波も同じ原理（共鳴）によって遠くの情報を伝えることをこれら携帯Ａが光る(1.5GHz)の装置は直感的に分かりやすく理解できると考えます。

（周波数が高い）

携帯Ｂが光る(850MHz)

２．電波の共鳴器（光るアンテナタイプ１）の作成（周波数が低い）準備するもの
ア

高輝度発光ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ（ 数百mcdと輝度の高いもの ）イｼｮﾄｷｰﾊﾞﾘｱﾀﾞｲｵｰﾄﾞ(高周波用1SS99など)

ウ

はんだゴテ、はんだ、エ

アンテナ(細い被膜電線ｺｰﾄﾞ１０ｃｍ)に考えられます。ショットキーダイオードは電流を片方

オ

携帯電話 、（PHSは出力が弱いので見えにくい）向に整流し、その位置の電流値の振幅が大きければよく

カ定規（３０ｃｍ）光ることになります。電流と電圧は位相がπ／２ことな

電波の受信と発光させるための電流変化は下記のようり、図３のようになっていると考えられます。
（Ａはダイオード）

光るアンテナタイプ１の回路・実体配線図・実物写真
図１に回路図と実体配Ａ線図および写真を掲載しＢました。
電圧変化

回路は非常にシンプルで部品さえ手に入れば、固定端はんだ付け作業の経験者

Ａ

自由端であれば誰でも簡単に作成できます。購入部品の自由端原価は１つ百円程度です。

Ａ

電流変化

固定端

図と写真のように部品をはんだ付けし、アンテナの長３／４λさを使用電波の１／４λにすれば完成します。
１／４λ22日本物理教育学会会報 「物理教育研究」
４．電波の共鳴Vol .30，2002.7

かつ共鳴周波数の実験も出来るアンテナを作成します。

実験２

携帯電話は種類により 、携帯電話Ａは１ ．５Ｇ(ギガ)、以下、完成したアンテナの写真を見れば一目瞭然です

携電話帯Ｂは８５０Ｍ(メガ)のように電波の周波数が異が、コイルをショットキーダイオードと高輝度発光ダイなります。音も電波も高い周波数では短いアンテナが反オードの間に入れてはんだ付けをします。なおアンテナ

応し、低い周波数で長いアンテナが反応します。の位置は左右反転でも片側に集中でも光ります。

電波は目に見えませんが、この光るアンテナを使用す

とにかく光るアンテナ

ると、音やその他の実験と同じ原理で反応していること

このコイルはＣＲ発信の共振回路に一部のようにも見えが観察できます。

ますが、携帯電話のアンテナから発信する電波を効率よく受信し、この回路に＋－の電界をポンプアップしてと実験２アンテナを長くして発信電波の位置をずらしにかく光らせる役割をします。写真のように作成するとて実験すると光らない所、光る所が一定間隔になることとにかく光やすく、かつ電波の共鳴の実験ツールが完成も観察できます。

です。

光る

光る

光らない

光る

光らない

光る

光らない

この結果も音やその他の振動の実験と似てます。

これらの実験を右の音共鳴分離器とともに比較実験するとアンテナの長さは、１／４λ３／４λで共鳴振動することが目に見え、音も電波も全く同じ原理で共鳴していることが直感的に理解されます。

光るアンテナタイプ１のアンテナの特徴

我々が利用している電波の周波数帯域

実際に作成した直線状のアンテナの特徴は①アンテナの長さによって、共鳴状態が変わります。

②

基礎的物理現象の理解には「教育的」なアンテナ③

電波が弱いと光りにくい④

アンテナが共鳴の長さに合わないと光らない。
つまり、携帯電話やＰＨＳ電話に使用されている共鳴周波数や強度が種類によって異なるために、このままでは光る場合と光らない場合があり、作成し自分の携帯電話に会わせても、他の携帯電話のほとんどには共鳴しない事態になります。
せっかく作成しても光らないアンテナでは価値が半減し、興味ある実験の演出場面も少なくなります。

５

光るアンテナタイプ２の作成
そこで 、電波の強度がある程度以上あればまずは光り 、

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音 と電波の共鳴分離の実験「紙コップによる人の声に反応する簡易音共鳴分離装置」の作成
年組

名前

聴覚に関してわかりやすく実験できる装置を作製し、性能分析を試みる。物理の音の合成と分離の実験、および生物の聴覚器官のモデル実験器である。この装置で、実際の人間の声に反応させ、声の周波数に応じた反応を目で確かめる。
キーワード： 共鳴

基本振動３倍振動

聴覚蝸牛管周波数分離（フーリエ変換）

基底膜“共鳴”説

１

作成方法

ウ 振動受信の土台付紙コップの作成の方法

ア

必要な物

①

教師 ① 低周波発信器

サミで十字に切り込みを入れる。

② 周波数ｶｳﾝﾀ（ﾃﾞｼﾞﾀﾙﾏﾙﾁﾒｰﾀｰ）②② カセットデッキまたはラジオ① 画鋲１個ストローも３ｃｍぐらいにカットし 1.5 ｃｍ程の切り込みを入れる。

③ スピーカ（コーンはない方が良い）
生徒

ガムテープの中心にストローが固定できるようにハ③② ストロー（直径６ｍｍ）

ついで紙コップの底にストローを十字に開いてガムテープで固定する 。（５図）振動強度を得たい場合は③ プラスチック製ファイバー 15 ～ 20 本

紙コップの口に振動膜を固定し紙コップの底に穴をあ（百円ショップの箒のブラシ部分）

ける 。（図６）④ 紙コップ１個⑤ ガムテープイ（５ｃｍ×５ｃｍ1 枚）

共鳴振動子の作成の方法①

ストローに画鋲で穴をあける。
その際、画鋲は定規にセロテープで貼り付け、ストローを５ｍｍずつ平行に移動し穴をあける。

図５

図６

実験の方法
図１

①

土台つきの紙コップに、作成した分離共鳴器を固定② ファイバーします。アダプターの太さが合わない時はセロテープを 1 本１本平行を巻いて、やや太くしてつなげます。紙コップに共鳴に対称に突き刺器を固定したら、大きな声で低い音から紙コップに音し、瞬間接着剤を入れます。紙コップとの隙間はなくして中に空気でで固定する。
③

図２

圧力をかけるようにして大声を出してください。

ファイバーの太さや材質によって異なるが、②一本一本のファイバーは、その長さに応じて特定の長いほうは５～６ｃｍ短いほうは２～３ｃｍに振動数にのみ共鳴しますから、母音の「アイウエオ」

ハサミで切りそろえる 。（図３図４）が同時に２本以上を振動させたら、音は分離されたこ

図３とが確認されたことになります。
③

また 、「ア」と「イ」の振動の違いを見出せば振動成分の違いを確認できたことになります。

④

低周波発信器から一定の振動数の音を入れると、１本１本の共鳴振動数がわかります。

⑤

一定の振動数の音を耳で聞きながら同じ高さの自分の声を紙コップに入れても、ファイバー

図４数を特定することができます。
24の共鳴振動日本物理教育学会会報 「物理教育研究」
実験２アVol .30，2002.7

以下は 、この物理現象が生物のセンサーである「 聴覚 」

共鳴振動の測定にも利用している例と、 我々が利用している電波の周共鳴振動数の測定波数帯域の資料を加えてこの実験を終わります。

＜参考資料＞

上
図の装置に発信器からの信号をマイクあるいは直接アンプに与え、各振動子が共鳴する振動数を測定し、 １本

装置の写真

右上

内耳と聴覚器官

右蝸牛管１本が何ヘルツに反応するかを調べます。
図７
イ

データをとりグラフにしてみましょう。
長さ(mm)

周波数
(Hz)

ｆ

http://mvf.neurophys.wisc.edu/~ychen/auditory/w-ad.html（Univers１／ √f

ity of Wisconsin -- Madison）（ 1/Hz）

人の内耳（聴覚器管）と カタツムリ管の写真･模式図

１本目
２本目

人の聴覚器官も体液中の膜の「共鳴」により周波数分３本目離を行っています。

４本目
５本目

人は耳の「こまく」のもっと奥に音とらえる装置「カタツム６本目リ管」をもっています。音は「こまく」から小さな骨（ツチ骨７ 本目・アブミ骨・キヌタ骨）を通して「かたつむり管」に届き、中８ 本目の膜に伝わります。膜は入り口の方は高い音で、奥は低い音で９ 本目振動します。色々な高さの音が混じり合っていてもそれぞれの音が膜のきまった場所で振動し、音は分離されます。そして２０００個以上の音を聞き分け神経を伝わり脳に届きます。
聴覚の秘密を解いたのはゲオルク・フォン・ベケシーでした。
彼は通信技師であり、物理学者ですが、物理の知識と技術で彼は聴覚の秘密を解き明かそうと決心し、ライフワークとします。様々な動物の蝸牛を観察し、人の蝸牛についても死体を解剖しながら蝸牛に穴をあけ、アルミニウムと石炭の粉を混ぜた食塩水をいれ、顕微鏡でで観察するなど、大変苦労して実験を繰り返しました。そしてついに「基底膜共鳴説」により1961年ノーベル賞を受賞しました。

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