音、波のアニメーション集             2019/11/24,20/4/14最後の修正

音波伝播に関するアニメーションを以下に載せます。GIFファイルです。水面の波も似た様に考えられます。

一次元のFDTDシミュレータを使って模擬したものです。波形は台形にしてあります。現象を把握しやすくする為です。人の目は直線の僅かな歪でも気が付きますが、サインカーブの様な曲線では歪が10%あってもわかりません。

以下の画像をクリックしてください。動き始めるのに少し時間がかかることもあります。

 

λ/2圧電振動子からの音(説明なしと説明付き)2019/12/19追加

振動子をインパルス電流(スパイクパルサー)で励振した時の現象です。音が往復して振動するのかと考えられてきましたが、単に静圧と粒子速度(運動)が交互変換していました。圧力だけで考えると、音が往復するのと同等です。粒子速度(運動)は観測できないので、誤解をしていました。内部損失がある振動子だと、一部が音に徐々に変わります。そのシミュレーションです。圧電素子で発生する電荷(電圧)も模擬しています。

 

 

正と正の音の衝突(説明なしと説明付き)

 

正と1.3倍の正の音の衝突(説明なしと説明付き)

 

正と負の音の衝突(説明なしと説明付き)

 

固定自由端反射

自由端や固定端で音の圧力と運動が相互変換し、圧力が位相反転したり、しなかったりする様子が判ります。

 

ガリレオが悩んだ「ガリレオの杭」の解答です。これと伝播する音の範囲の抗力(粘着力)を考えるとほぼ完全な解答になります。なお先端は尖らせてない、また極柔らかい土の模擬。イメージズの形状変化は大げさに描いています。実際は人の目には判りません。

  

バネの一部を抓んで放す(説明なしと説明付き)

 

棒を叩く(説明なしと説明付き) ハンマーで鋼棒を叩くと、ハンマーの音速換算でハンマーの長さの2倍相当の音が鋼材に伝わります。伝わった状態から棒が移動していく様子です。

 

棒を叩く(説明なしと説明付き)前のアニメとほぼ同じですが、違いは音の減衰を計算しています。ハンマーからの音は、僅か空中に放射しますが、大半は材料内部で減衰し熱になります。熱と音は本質的に同じ原子の振動で、音から熱の変化は圧電振動子など音センサーで計測できる振動から、熱電対など熱センサーでしか計測できない振動への変化と考えられます。鋼材は音速が6000m/S程度で1mの棒鋼を上手に叩くと3kHz程度の音を出します。粒界の大きさの小さな焼き入れ鋼だと秒単位音が続きます。何千回も音が往復して音が減衰します。これを模擬するのは大変なので、非常に大きな減衰を示す現実には無いような大きな粒界の鋼材の模擬です。左右の幅も狭くして30点の計算をてります。 長い紐で吊った鐘は、叩くと音を出しながら移動します。最初は振動が大きく大きな音を出しますが、段々音は小さくなり、全体が一定速度になります。

 

棒を叩く(説明なしと説明付き)同じ棒を叩くですが、一般の音が減衰すると考えた場合の模擬です(マクロ減衰)。直ぐに運動は止まり、定速運動しません。

  

 

ニュートンのゆりかご 鋼球を数個紐で吊るしたニュートン時代からの実験装置 商品名:バランスボール、ニュートンクレイドル、衝突球など