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🎸 アコースティックギターの物理学

Simulate guitar string vibration modes and standing waves. Visualize harmonics 1-8, adjust tension and length, hear each mode. Physics: f_n = n·v/(2L), v=√(T/μ). Fourier synthesis included.

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アコースティックギターの共鳴について

振動するギター弦は、離散的な倍音周波数 f_n = n·v/(2L) で定在波を支えます。ここでnは倍音次数、Lは弦長、v = √(T/μ) は張力Tと線密度μによって決まる波速です。基音(n = 1)が音の音高を与え、より高次の倍音(n = 2, 3, 4…)は基音の整数倍であり、ギターに特有の音色を与えます。440 Hzに調律されたL = 0.65 mの標準的なA₄弦は、v = 2 × 0.65 × 440 ≈ 572 m/sの波速を必要とします。ギターのボディは音響共鳴器として機能し、サドルを介して弦と結合し、サウンドホールとトップ板を通じて音を放射します。

弦の張力、長さ、線密度を調整して波速と周波数を変化させます。倍音モード1〜8を選択すると、節(固定点)と腹(最大変位点)がラベル表示されたアニメーションの定在波を確認できます。倍音概観キャンバスは8つのモードすべてを同時に表示します。「フーリエ合成」をクリックすると、選択したモードまでのすべての倍音を組み合わせ、弾いたときの波形が正弦波の重ね合わせからどのように構築されるかが明らかになります。

よくある質問

ギター弦の定在波とは何ですか?

定在波は、弦に沿って進む波が固定端(ナットとブリッジ)で反射し、入射してくる波と干渉するときに形成されます。特定の周波数では、反射波と入射波が組み合わさり、変位が常にゼロである静止した節と、変位が最大で振動する腹を持つパターンを作り出します。弦の長さは半波長の整数倍に等しくなければなりません: L = n·λ/2。これにより λ_n = 2L/n、f_n = v/λ_n = n·v/(2L) が得られます。

弦の張力は音高にどう影響しますか?

波速 v = √(T/μ) であるため、音高 f₁ = v/(2L) = √(T/μ)/(2L) となります。張力を2倍にすると波速は√2 ≈ 1.414倍になり、音高はおよそ完全5度上がります。ギターのペグは張力を調整します:締めると音高が上がり、緩めると下がります。標準的な細めのギター弦(μ ≈ 3 g/m、L ≈ 0.65 m)をE₂(82 Hz)に調律するには、T = (2Lf₁)² × μ = (2 × 0.65 × 82)² × 0.003 ≈ 66 Nの張力が必要です。

節と腹とは何ですか?

節は弦上で決して動かない点です — そこでの変位は常にゼロです。モードnには(両端の固定点を含めて)n+1個の節があります。腹は隣接する節の中間点で、変位が最大となる場所です。モードnにはn個の腹があります。12フレット(中間点、L/2)で弦に軽く触れると、そこに節が強制的に作られ、奇数倍音が抑制されて、開放弦の1オクターブ上の音である、より高音でフルートのような「ハーモニクス(倍音奏法)」の音が生まれます。

なぜ倍音は音を豊かに聞こえさせるのですか?

純粋な正弦波は薄く電子的に聞こえます。ギター弦を弾くと、最初の三角形状の変位が多くの倍音を同時に励起します。各倍音は異なる速度で減衰し(高次の倍音ほど速く減衰します)、音のアタックとサステインの局面に独特の音色的特徴を与えます。倍音の相対的な強さ — 倍音スペクトル — が、同じ基音周波数を演奏するギターとピアノやバイオリンとを区別する要素です。

フーリエ合成とは何で、ここではどう適用されますか?

フーリエの定理は、あらゆる周期波形が、それぞれ固有の振幅と位相を持つ基音周波数の整数倍の正弦波の和として表現できると述べています。弾かれた弦の場合、フーリエ級数は y(x,t) = Σ Aₙ sin(nπx/L) cos(2πfₙt + φₙ) です。このシミュレーターの「フーリエ合成」パネルは、振幅が Aₙ = 1/n と減少する n=1 から選択したモードまでの倍音を重ね合わせ、三角形状の弾かれた形を近似します。

弦の長さは音高にどう影響しますか?

音高 f₁ ∝ 1/L であるため、弦の長さを半分にすると周波数は2倍になります(音高が1オクターブ上がります)。ギターでは、フレットに弦を押し付けると振動する長さが短くなります。12フレットはちょうど弦長の半分にあり、オクターブを生み出します。フレットの位置は 2^(1/12) ≈ 1.0595 に従います — 各フレットは弦を2の12乗根の係数で短くし、平均律で半音ずつ音高を上げます。

線密度とは何で、音にどう影響しますか?

線密度μ(kg/m)は弦の単位長さあたりの質量です。同じ張力と長さでは、より重い弦(μが大きい)は波速 v = √(T/μ) が低くなり、音高も低くなります。ギター弦はさまざまな直径を使用します — 低音のE弦は高音のe弦よりずっと重くなります — 演奏性に適した範囲の張力を保ちながら幅広い音高を生み出すためです。ベース弦は、過度な硬さを増やすことなくμを高めるために、芯線に金属線を巻きつけて作られることが多いです。

ギターのボディはどのように音を増幅しますか?

弦自体は空気を効率的に押す薄さのため、ほとんど音を放射しません。ブリッジのサドルが弦の振動をトップ板(サウンドボード)に伝え、ずっと大きな放射面として振動します。ボディ内部の空気の空洞は、ヘルムホルツ周波数 f_H = (c/2π)√(A/VL_neck) で共鳴します。ここでAはサウンドホールの面積、Vはボディの体積、L_neckはサウンドホールのネック長です。標準的なギターでは f_H ≈ 100 Hzで、低音の応答を強化します。トップ板のクラドニパターンは、サウンドボードがどの振動モードを支えているかを明らかにします。

ギターとピアノの音色の違いは何ですか?

ギターとピアノの弦はどちらも倍音列を生成しますが、最初の励起の仕方が異なります。ピアノのハンマーは弦の一端付近(通常は弦長の1/7の位置)を叩き、第7倍音を抑制します — これは音程の狂った音を避けるための意図的な設計上の選択です。弾かれたギター弦のスペクトルは弾く位置によって変わります:サウンドホール付近を弾くとふくよかで豊かな音(多くの倍音)になり、ブリッジ付近を弾くと明るく鼻にかかったような音(より高次の倍音が強い)になります。異なる減衰速度とボディの共鳴が、最終的な音色を形作ります。

ギター弦の波動方程式はどのように導かれますか?

線密度μで張力T下にある理想的な弦の横方向の運動は、波動方程式 ∂²y/∂t² = (T/μ)·∂²y/∂x² を満たします。ここでy(x,t)は横方向の変位です。これは2階の偏微分方程式であり、その解は速度 v = √(T/μ) で進む正弦波です。固定境界条件 y(0,t) = y(L,t) = 0 のもとでは、許される解は定在波 y_n = sin(nπx/L)·cos(2πf_n t) であり、f_n = nv/(2L) です。実際の弦には曲げ剛性もあり、これがより高次の倍音周波数をわずかに引き上げます — これはインハーモニシティ(非調和性)と呼ばれ、太いピアノの低音弦でわずかに音程が狂って聞こえる原因となります。

⚙ 仕組み

ギター弦の振動モードと定在波をシミュレートします。倍音1〜8を可視化し、張力と長さを調整して各モードの音を聞くことができます。

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