音のレーザー光オシログラフ装置の開発

中学第一分野
音のレーザー光オシログラフ装置の開発
鹿児島県総合教育センター
樋 之 口 仁＊
目 的
中学第 1 分野や高校物理における音の波形の観察
は、一般的には陰極線オシロスコープやパソコンが用い
られる。いずれも便利な装置であるが、生徒にとっては
ブラックボックスであり、音波の本質的理解につながり
にくい。また、回転鏡を使った市販装置もあるが、高価
であり、学校予算が少ないことを考えると、購入は難し
い。また、高校物理においては、
「ある媒質の時間変動
を示す振動のグラフ」と
「ある時刻の各媒質の空間的な
振動の変位を示す波形のグラフ」の違いが、同じ正弦
曲線であるゆえに理解することが難しい。そのため、
オシロスコープの原理や振動のグラフを直観的に理解
させることのできる教材教具の開発が望まれていた。
そこで、装置の動作原理が明解で、安価な（材料費
千円程度）オシログラフ装置の開発を行った。同時に、
数時間で容易に自作でき、木工、金属加工、ハンダ付
け、圧着などの理科教具製作のための教員研修教材と
しても有用なものを目指した。
概
図 1 レーザー光によるオシログラフの原理
要
開発した装置は、陰極線オシロスコープの陰極線の
代わりに、学校にあるレーザーポインターやレーザー
光源装置のレーザー光を用い、この光を自作回転鏡に
よって走査する仕組みである。
図 1 のように小さな鏡をおんさに取り付け、この鏡
にレーザー光を当てると、レーザー光の光路が振動し、
それを回転鏡で走査して黒板等のスクリーンに映すと
正弦曲線をえがく。
おんさによる実験では、反射鏡をおんさに直接付け
ているため、音源の振動の大きさと音の大小の関係は
示すことができるが、実際の空気の振動である音の観
測はできない。そこで、空気の振動を観測するために
厚紙の円筒を利用した鏡付きの紙筒マイクを製作し
た。図 2 のように紙筒マイクに息を吹き込むように発
声すると、筒内の空気の振動がマイクの先端に取り付
けた鏡の振動になり、これにレーザー光を当て、回転
鏡装置で走査すると音波のオシログラフが得られる。
図 2 紙筒マイクによる音波のオシログラフ装置
教材・教具の製作方法と学習指導方法
蠢．回転鏡装置
1． 原理
図 1 のようにレーザー光源の光をおんさの反射鏡に
当てる。この状態でおんさをたたくと、回転鏡上の反
射鏡の輝点が上下に振動し、輝線をえがく。このとき
回転鏡を回転させると、スクリーン上の輝点が正弦曲
線のオシログラフとして観察される。
2． 材料
発泡ポリスチレン板、グラフ用紙、両面テープ、鏡、
真 鍮 棒、プーリー、輪ゴム、ベニヤ板、L 型金具、木
ねじ、モーター、わに口クリップ、釘、電熱線、圧着
端子、単一電池ホルダーなど。
ちゅう
くぎ
（注）樋之口 仁研究主事は平成 19 年 4 月 1 日付で鹿児島県立錦江湾高等学校に転任された。
＊
ひのくち ひとし 鹿児島県立錦江湾高等学校 教諭 〒 891-0133 鹿児島県鹿児島市平川町 4047
蕁
（099）
261-2121 E-mail [email protected]
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3． 製作
正方形の発泡ポリスチレン板 2 枚と 4 枚の鏡で直方
体状の回転鏡（写真 1 参照）を作成する。回転軸とし
て真鍮棒を用いる。まず、回転軸にプーリーを差し込
み、回転鏡を写真 1 のように挿す。この工程では、正
方形（一辺 4cm）の発泡ポリスチレン板を正確に切り
出すことがポイントで、発泡ポリスチレン板にグラフ
用紙を貼り、目盛りに沿って切り取る工夫をした。
回転鏡の軸受には、写真 1 のように L 型金具を上下
に 2 枚用い、金具とベニヤ板との固定には、木ねじを
利用する。モーターの回転をプーリーに伝えるベルト
として輪ゴムを利用する。回転鏡の回転速度は遅くし
た方が観察しやすいため、電熱線とわに口クリップを
用いて可変抵抗器を作り、モーターの回転速度を調節
する工夫をした。電熱線の一端は、圧着端子で固定し、
その圧着端子を単一電池ホルダーにハンダ付けし、他
端は釘に固定する。この工夫により、乾電池 1 個で駆
動できるので、電源装置がコンパクトで、携帯性に優
れるものになった。
写真 2 実験装置
写真 3 音源の振動（おんさ）のオシログラフ
（上段：大きな音、下段：小さな音）
蠡．音波の振動を観察する紙筒マイクの製作
写真 1 回転鏡装置
4． 学習指導方法
写真 2 のように実験装置を組み合わせ、波形を観察
させる。起動の際は、わに口クリップを単一電池の端
子に直接当て、勢いよく回転させる。次に、わに口ク
リップを電熱線上で釘の方向へスライドさせ、できる
だけオシログラフが観察しやすい回転速度に調節す
る。回転鏡の回転を速くすれば時間のスケールが小さ
くなり、波形は横に伸びる。また、回転を遅くすれば
波形は縮む。
実験において、おんさを強くたたくと写真 3 の上段
のような波形になり、弱くたたくと下段のような波形
になり、音の大小と音源の振幅の関係を体験的に気付
かせることができる。カーテンや暗幕のある教室では、
スクリーンの代わりに黒板を用いると、迫力のある大
きな波形を観察させることができる。
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おんさによる実験では、音源の振動の大きさと音の
大小の関係が理解できるが、実際に音波を観察できて
いない。そこで、音の媒質である空気の振動を観察す
るために厚紙の円筒を利用した鏡付きの紙筒マイクを
製作した。
1． 原理
図 2 のように紙筒マイクに息を吹き込むように発声
すると、空気の振動がマイクの先端に付けた薄いフィ
ルムの前後振動になる。その振動を縁に付いている鏡
が上下の振動に換え、回転鏡装置で音波のオシログラ
フが得られる。
2． 材料
太さの異なる厚紙でできた紙筒 3 つ（印刷機の使用
済みマスター芯や台所用ラップフィルムの芯などで、
一番太い円筒の内径と 2 番目の太さの円筒の外径がほ
ぼ同じで挿入でき、一番小さな円筒の外径が 2 番目の
太さの円筒の内径よりも細いもの）、台所用ラップフィ
ルム、輪ゴム、薄い鏡（塩化ビニルやポリカーボネー
ト製）、両面テープ、セロハンテープ、塩化ビニル管、
ビニルテープなど。
3． 製作
紙筒は、印刷機の使用済みマスター芯を利用した。
その片端に振動しやすい薄いフィルム（台所用ラップ
フィルムを利用）を輪ゴムでとめ、しわを伸ばし、輪
ゴムの上からセロハンテープで固定する（写真 4 参
照）。さらに、写真 5 のように 2 本の塩化ビニル管をビ
ニルテープで固定して転倒しないように支持した。
この紙筒に抜き差しできる紙筒とその紙筒に穴を開
けて細い紙筒を挿して L 型紙管を作り、写真 6 のように
紙筒マイクの支持台に挿入する。この L 型紙管によっ
て、声を出す人も自分の作るオシログラムを観察でき、
かつ目にレーザー光が入射しないように配慮した。
4． 学習指導方法
写真 7 のように実験装置を配置し、生徒に体験させ
る。写真 8 の波形は、いずれも「ア」の音声であり、
音程を変えて観察したものである。このように、音の
高低による振動数の大小の変化を提示することができ
る。また、明るいレーザー光源を使えば、オシログラ
フスクリーンを黒板で代用することができ、黒板に映
した迫力のあるオシログラフ像を提示できる。
写真 7 音波のオシログラフ実験装置
写真 4 紙筒マイクの鏡の取り付け
写真 8 観察された音声「ア」の波形
（上段：低い音、下段：高い音）
写真 5 紙筒マイクの支持台
実践効果
蠢．本教具の学習指導における効果
1．音波のオシログラフを大きく黒板に効果的に提示
できる
市販レーザー光源装置や明るいレーザーポインター
を用いると、黒板をスクリーンとしてクラス全員に大
きなオシログラフを提示することが可能である。
生徒は簡便な本装置によるおんさの振動の正弦曲線
に非常に感動する。また、紙筒マイクでえがかれる自
分の声の振動に非常に興味をもつ。おんさの実験で、
中学校の音波の単元の「音の大小と振幅の関係」、紙
筒マイクの実験では、「音の高低と振動数の関係」へ
の理解に効果的である。
写真 6 紙筒マイクの完成
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2．中学生にもオシログラフの原理を説明できる
これまで、オシロスコープの波形がどのようにして
できるか原理まで説明することは、高校物理の電磁気
単元を終了するまで不可能であった。
しかし、製作した装置は、陰極線をレーザー光線に
置き換えたために、回転鏡による走査や鏡による増幅
などの仕組みが、光の反射ですべて説明できるため中
学生にも理解しやすい教具である。
3．生徒の混乱しやすい波や弦の振動の様子と音の振
動の様子の違いを明確にできる
本装置は、中学生や高校生に波のある点の媒質の振
動の様子（ある媒質の時間変動を示す振動のグラフ）
をしっかり理解させ、弦の振動（定常波の基本振動）
や実際の波の様子（ある時刻の各媒質の空間的な振動
の変位を示す波形のグラフ）との違いの理解を深める
ことができる。
4．中学校の選択理科や自由研究、高校物理の探究活
動や課題研究における音波の実験装置として活用
できる
本装置は、黒板に投影することによって今まで述べ
たような実験以外にも、あらかじめ振動数の分かって
いる発音体（おんさ）を写真 3 や写真 8 で使ったグラ
フ用紙で作ったスクリーンに投影すると、横軸の長さ
が、時間に対応しているため、未知の振動数の発音体
の振動数を正確に求めることが可能である。また、お
んさの代わりに拡声器のスピーカの縁に鏡を付ける
と、図 2 と同じ原理で拡声器のマイクによって様々な
音源（楽器）による音波の波形の様子（音色の違い）
を調べることができる。
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蠡．教職員の研修講座教材としての効果
1．理科の教職員の教材製作のための技能向上を図る
ことができる
本装置は、千円程度の材料代で製作できるためコス
トパフォーマンスに優れる。また、製作時間も 4 時間
程度で容易に製作できるため、教職 10 年経験者研修
や短期研修などの研修の教材として活用しやすい。ま
た、製作において、木材や紙（せん孔）、金属（切
断・研磨）、プラスチック（切断）などの加工、ハンダ
付け、圧着などの工程があるので、基礎的な技能を習
得することができる。製作した先生方は皆熱心に取り
組み、教材を持ち帰った。
2．製作した教材で実証授業をしてもらい、観察実験
のノウハウ集にまとめ、Web 公開し、本県だけで
なく、理科教育の振興に役立てることができる
http://www.edu.pref.kagoshima.jp/kari/rika/
index.htm