固有振動数メモ
固有振動数とは、物体が自然に振動する周波数のこと。あらゆる物質と構造物は、それぞれの条件下特有の固有振動数を計測することができる。
楽器の場合、この固有振動数が音の高さ（ピッチ）を決定する。楽器に外部から振動が加えられたとき、その振動の周波数が楽器の固有振動数と一致すると、楽器は強く振動し、「共鳴」して大きな音を出す。物体の固有振動数が高ければ高い音に共鳴し、固有振動数が低ければ低い音に共鳴する。
例えば、木琴やマリンバの音板で、木の固有振動数の変化をみると、
・重さ(比重・密度)の変化→比重の重い音板は固有振動数は低くなり、比重の軽い音板は固有振動数は高くなる。
・硬さ(ヤング率)の変化→硬い(ヤング率が高い)材質の音板は固有振動数は高くなり、柔らかい材質の音板は固有振動数は低くなる。
・長さや形状の変化→音板が長いと固有振動数は低くなり、音板が短いと固有振動数は高くなる。また音板の裏の中央を削ると音は低くなり、裏の端(節の外側)を削ると音は高くなる。
このような木材単体の楽器だけでなく、ギターやヴァイオリンなど部材を組み合わせて作る構造物の楽器も、楽器各部をコンコンと叩いて見れば、場所ごとに様々な固有振動数があることがわかる。構造物の固有振動数に影響する要素は、次のように同じ要素が構造物全体として作用する。
・全体の重さ →密度高く重く作られた構造物は固有振動数は低くなり、軽く作られていれば固有振動数は高くなる。
・全体の硬さ →がっちり頑丈に組み立てられていれば剛性が高くなり固有振動数は高くなり、柔らかく作られていれば固有振動数は低くなる。また、湿気が多いと木部が膨張してしっかりかみ合うことで剛性が高く鳴るのでピッチが高くなることが報告されている。
・構造物の大きさ、形状、開口部の大きさや位置、内部部材の配置形状寸法(ブレイス、バスバー、魂柱など)、接合方法などが変われば、固有振動数も変化する。 建物建築の例が参考になる。高い建物の固有振動数は低くなるし、窓などの開口部の位置や数、柱や梁の配置や寸法、その接合方法などで、固有振動数は変化する。地震や騒音対策のために建築の共振が研究されている。建築は共鳴しない方向で研究し、楽器は共鳴する方向で研究するので、方向は逆だがに、理論は同じ。
楽器の大きさ、形状、板厚、材種選択など、全部が固有振動数に関係するが、特にギター響板のブレイス(力木)、ヴァイオリンの魂柱やバスバー(力木)などの工夫は、楽器の固有振動数の変化をコントロールして最高の共鳴を探求する試みの典型と言える。
響板の表をコンコン叩いてみると様々な固有振動数が部位ごとに分散しているが、楽器の音域全部にバランスよく共鳴できるように、響板上に様々な固有振動数が満遍なく分散していることが有利と言える。いわば、多くの異なる高さの音に共鳴し(弦の振動数と板の固有振動数が近いと共鳴によりその音が大きくなる)、豊かな表現力を持つ「優れた楽器」となるためのかなめの部分。また、低音側に強く共鳴する楽器とか、高音側に強く共鳴する楽器など、固有振動数の分布をあえて偏らせ、好みの個性の楽器をつくるということも考えられる。
楽器製作者は、それらの目的に合わせて、楽器の材の選択、形状、厚み、力木の配置や高さ、剛性の程度などを変えて模索している。過去の巨匠作家の作り方を何一つ変えずに踏襲することも、その伝統を破って様々な新工夫を凝らすのも、どちらも優れた共鳴を作ろうとする試みの両極である。
