有限会社 田村造園

静岡東部・三島にて、庭と外構(エクステリア)に関わる全ての設計・施工・管理をいたします。
日本庭園の高度な技法【水琴窟(すいきんくつ)】は、全国各地・海外にも施工しています。

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音の秘密をさぐる

【実験を重ねると、意外な結果や、なんだ!そうだったのか・!が連発された】

2001年8月、東海大学工学部応用物理学科、工学博士の渡部由雄教授から突然お誘いを受けました。渡部教授は、流体力学で博士号を取得されたその道の権威の方です。現在『水滴』についての研究を進めているので、是非一緒に実験をしたいとの事でした。

教授は『科学的視点』から、私は『実践的視線』から『水琴窟の滴や音』について考察し、将来一冊の本にまとめようというわけです。
今まで市販されている数冊の文献には、肝心のその部分の追求がされておらず、実に参考にならなかったものです。私もこの両方面からの考え方には、以前から興味のあるところでしたので、非常に幸運だと思ったのです。

教授から事前のデータなどを紹介されながら説明を受けると、今までボヤ-っとしていたものがどんどんはっきりしてきました。
以前から滴の最大直径値は『6㎜』といわれてきましたが、本当にそうなのかを、私は自分の目で確かめたいと思っていました。
落下表面を加工した私の甕(カメ)では、いったい直径何mmで落ちているのか?すなわち、私が良いと思ってやっていた事は正しかったのか?を知るよい機会でもあったのです。

甕の天井から落下する滴の状況

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音が出る滴は、天井で切り離された『大きな主水滴』に、小さな『従水滴』が数個、後を追います。
音を発しない『小さな主水滴』は、『従水滴』が落ちることはありません。
ちなみにスポイトなどから落とす水滴は、従水滴が落ちません。したがって音は出ません。

滴の計測結果

淡水での実験では、ガラス製の時計皿と、私が加工した甕(カメ)を使用しました。
時計皿は6.9㎜、甕は6.5㎜。いずれも直径6mm以上でした。
そして海水で試してみると、なんと7.3㎜でした。もっといろんな素材で試せば、面白い結果が出ると思います。

しかし、時計皿や海水では、大きな欠点が判明したのです。
時計皿は、数10秒経過すると、滴が小さくなっていく現象が見られます。これは表面がつるっとしすぎる原因に関係します。やはり甕のあのざらつき感が良いようです。
海水では、不純物が多いために、天井が汚れ、これもやはりしばらくすると滴が小さくなって行きます。
水源については、不純物のないきれいな水が最適との結果になりました。

水琴窟には、大きな滴が必要です。甕の底に穴をあけてすぐ施工するのではだめです。
滴の落下面を滑らかに加工しなければ、大きな滴は望めません。小さな滴は音が小さかったり、鈍い音がしたり、鳴らない物もあります。
また甕の形状によっては、滴どころか甕の内側を水が伝っていく物もあり、これもまた当然加工しなければなりません。 加工により水琴窟は、昔のものとは比べ物にならないくらい音に磨きがかかり、様々な音階を奏でる事ができるのです。

その他、滴の落下距離は30~50cmが最も大きい音になる事も分かりました。
30cm以下では、スピードが足りず衝撃音は小さくなります。また60cm以上になると、滴が壊れて分散する現象が多くなります。

滴が衝突したときの液面と音波

滴が衝突したときの液面と音波の様子滴が衝突したときの液面と音波の表

大きな水滴が水面にぶつかる様子です。
Cは主水滴が水面にぶつかったときです、このとき右グラフのCを見ると音の波長は見られません。
Dで、主水滴に続き従水滴が窪みに衝突し、Eで従水滴により気泡が作られ、ちぎれる。水琴窟の音源は、まさにこの時の音なのです。
Eで作られた気泡は、H後も水面に浮かんでおり、やがて消えます。

滴が水面にぶつかる音ではなく、実はその後を追う従水滴の音だった!

上の画像と表を見比べると、非常に不思議な現象が観察できます。
私達は今まで写真B、あるいはCの場面で音が発せられると思っていましたが、実は音が鳴り始めるのは、Eの場面です。Eの下にできたくぼみは、従水滴によって作られた気泡です。これがちぎれて水面に浮かび上がるわけですが、音はまさにこの気泡がちぎれるときに発せられるのです。
水琴窟の音は従水滴が作っているもので、主水滴のぶつかる音ではないということです。あんなに小さな子供の水滴が音のカナメだなんて、眼からウロコのスクープです!
水琴窟の音の秘密は、水滴が水面にぶつかる過程の、目に見る事が出来ない一瞬に隠されていることが分かったのです。

音については、甕(カメ)の特性によりそれぞれ違いがあります。教授は数個の甕を使用して、その音源、振幅、周波数など、様々なデータ-を求め、膨大な資料を作り続けています。

滴の残響音の周波数

図のデータは、滴の残響音の周波数です。唐津甕(H700×W500・壁厚12)を使用したものの一例です。
気柱長(水門から水面までの距離)500㎜、観測口は、水門上部より40㎜下の横穴(φ30㎜)です。

このデータでは、4個(縦列)滴を落としています。一滴が水面に衝突した甕の響の周波数(右列)ですが、1302Hz/1378Hz/ ? Hz/ ? Hzの1~5つが同時に発せられています(上列)。
水琴窟の音というのはドやレといったようなひとつの音階ではなく、複雑な和音で発せられていることが分かります。
当然甕の性質や気柱長、滴の落ちる位置など、条件によってこのデータに違いは出ますが、およそ700~2800Hzに集中しています。これは人間の声とほぼ同じ周波数帯です。
滴の音波は0.08秒程ですが、甕の反響(残響音)により2秒間以上、25倍以上の長時間になります。 (甕の種類によっては当然50倍以上の物も存在します)



↑実験に使用した唐津甕(H700×W500・壁厚12)

まだまだ未知の部分が多い水琴窟は、実験で得たものが何より信憑性があります。このデータは自分に自信を持ち、奮い立たせる特効薬のような気がしました。
『おそらく~であろう』『~と思う』は、まゆつばな話です。推測するよりも実験結果です。

いつかある人から、『隠された部分があるから魅力を感じるのであって、こんなふうに水琴窟を科学するのは、神秘性がなくなってしまうのでは…』という意見を頂いた事がありました。
確かに、愛好家の立場でならそれで良いのかもしれません。しかし作り手としては、今までの物よりクオリティーの高い物を提供するために、これらの事を知っていると知らないのとでは、作品に大きな差ができると、私は信じています。

なぜ音が悪いのか、なぜ音が良いのか。それらがはっきり分かってくると、今度はその次が見えて来るのです。
これからも、渡部教授と私の研究は続きます。

◆研究結果のさらに詳しい解説は、谷口旦/渡部由雄、両教授のレポートをご覧ください。

2003.04