ギターが音を出す仕組み：物理学からのアプローチ

概要

この記事では、ギターが音を出す物理学について探求します。弦を弾くことがどのように立波を作り出し、最終的に私たちの耳に伝わる音波を生み出すかについて説明します。また、振動する弦の周波数に影響を与える要因や、弦を弾く方法を変えることで生み出される倍音についても掘り下げます。さらに、西洋音楽の音階が振動する弦の倍音系列に基づいている方法や、フレットの間隔が決定される方法について説明します。最後に、エレキギターを処理してさまざまな効果を生み出す方法について触れます。

立波と音波

ギターの弦を弾くと、立波と呼ばれる振動が生まれます。弦の一部のポイントであるノードは全く動かず、アンチノードと呼ばれる他のポイントは前後に振動します。その振動は、ネックやブリッジを通ってギターの本体に伝わり、薄く柔軟な木材が振動して周囲の空気分子を引っ張って押し分けます。これらの連続的な圧縮が音波を生み出し、ほとんどはギターの穴から逃げ出し、最終的に私たちの耳に伝わります。

弦の周波数に影響する要因

振動する弦によって生み出される音の音高は、圧縮の周波数に依存します。速く振動する弦は、近くにたくさんの圧縮を引き起こし、高音が生まれますが、遅い振動は低音を生み出します。弦の周波数には、長さ、張力、密度、厚さの4つの要因が影響します。一般的なギター弦はすべて同じ長さで、似たような張力がありますが、厚さや密度が異なります。厚い弦は遅く振動し、低い音を生み出します。

倍音系列と西洋音楽の音階

弦を弾くたびに、いくつかの立波が生み出されます。最初の基本波は音の高さを決定しますが、倍音と呼ばれる波もあります。倍音の周波数は最初の波の倍数です。これらすべての立波が結合して複雑な音を形成します。馴染みのある西洋音楽の音階は、振動する弦の倍音系列に基づいています。私たちは、2倍の周波数を持つ別の音と一緒に演奏された1つの音を聞くと、非常に調和的に聞こえるため、同じ文字を割り当て、その間の差をオクターブと定義します。

フレットの間隔とチューニング

残りの音階はそのオクターブに詰め込まれ、12の半音に分割されます。各半音の周波数は、前の周波数の2の1/12乗に等しいため、フレットの間隔が決まります。各フレットは、弦の残りの長さを2の1/12乗で割り、周波数を半音増やします。バイオリンのようなフレットのない楽器は、各音符の間の無限の周波数を生み出すことが容易ですが、チューニングの難しさを増します。弦の数とそのチューニングは、私たちが演奏したいコードと手の生理学に合わせてカスタマイズされています。ギターの形状や材料も異なり、それらは振動の性質や音を変えます。

複数の弦を弾いて音響効果を作り出す

2本以上の弦を同時に弾くことで、和音やその他の音響効果のような新しい波のパターンを作り出すことができます。例えば、周波数が近い2つの音を演奏すると、振幅が上下する音波が生み出され、脈動効果が生まれます。ギタリストはこれをビートと呼びます。

エレキギターと信号処理

エレキギターには、さらに多くの要素があります。振動は引き続き弦から始まりますが、ピックアップによって電気信号に変換され、スピーカーに伝送されて音波が作られます。ピックアップとスピーカーの間では、歪み、オーバードライブ、ワウワウ、ディレイ、フランジなどの効果を生み出すために波をさまざまな方法で処理することができます。