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音波おんぱ基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_9dc08b55a0227a3c7ea8ebdc2ff61aaddescription音波を媒質中の縦波・圧力変動として定義し、音速、波長と振動数、うなり、気柱共鳴を証明付きで整理する講義である。prerequisites波の基本 / 定常波の基本 / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/waves/waves-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/waves/standing-waves-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/waves/wave-energy-and-energy-density.lecture.n.md
physicswavessoundlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、おと空気くうきなどの媒質ばいしつ圧縮あっしゅく膨張ぼうちょうつたわる縦波たてなみとして解説かいせつする。

音源おんげんそのものがみみまでんでくるのではない。空気くうき各部分かくぶぶん前後ぜんご振動しんどうし、圧力あつりょくたか部分ぶぶんひく部分ぶぶんつたわる。

2用語ようご定義ていぎ

縦波たてなみlongitudinal waveとは、媒質ばいしつ振動方向しんどうほうこうなみ進行方向しんこうほうこう平行へいこうなみである。

疎密波そみつはcompression waveとは、媒質ばいしつ密度みつどおおきい部分ぶぶんちいさい部分ぶぶんつたわるなみである。音波おんぱ典型的てんけいてき疎密波そみつはである。

うなりbeatとは、ちか振動数しんどうすうの 2 つのおとかさねたとき、おと強弱きょうじゃく周期的しゅうきてきわる現象げんしょうである。

3方針ほうしん

音波おんぱでは、まずなにわれているかをける。

  • たかさは振動数しんどうすうまる。
  • おおきさは振幅しんぷく強度きょうどまる。
  • はやさは媒質ばいしつまる。
  • 共鳴きょうめい定常波ていじょうは境界条件きょうかいじょうけんまる。

4帰結きけつ 1:音波おんぱでも v=fλ成立せいりつする

音波おんぱはやさを v振動数しんどうすうf波長はちょうλ とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=fλ

である。

4.1証明しょうめい

音波おんぱ周期的しゅうきてきなみである。1 周期しゅうき Tあいだ圧縮あっしゅくやまは 1 波長はちょう λ だけすすむ。したがって

v=λT

である。f=1/T より、

v=fλ

る。

5関係式かんけいしき 2:うなりの振動数しんどうすう

振動数しんどうすう f1f2 の 2 つのおとかさねると、うなりの振動数しんどうすう

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]fbeat=|f1-f2|

である。

5.1証明しょうめい

2 つのおと

y1=Acos(2πf1t),y2=Acos(2πf2t)

とする。和積公式わせきこうしきより

y1+y2=2Acos{π(f1-f2)t}cos{π(f1+f2)t}

である。はや振動しんどうする因子いんし cos{π(f1+f2)t}振幅しんぷくが、おそ因子いんし

2Acos{π(f1-f2)t}

変化へんかする。おとおおきさは振幅しんぷく絶対値ぜったいちまるため、つよさのやま

|f1-f2|

回数かいすうあらわれる。したがって、うなりの振動数しんどうすう|f1-f2| である。

6帰結きけつ 3:気柱共鳴きちゅうきょうめい定常波ていじょうはまる

片端閉管かたたんへいかんながさを L とすると、共鳴きょうめいする振動数しんどうすう

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]fn=(2n-1)v4L

である。

6.1証明しょうめい

閉口端へいこうたんでは空気くうき変位へんいが 0 なのでふしである。開口端かいこうたんでは空気くうきうごきやすく、変位へんいはらである。したがってかんながさは

L=(2n-1)λ4

である。よって

λ=4L2n-1

であり、v=fλ から

fn=(2n-1)v4L

る。

7単位たんい確認かくにん

fbeat=|f1-f2| では、f1f2 はどちらも [Hz;T-1] なので、[Hz;T-1] である。

8具体例ぐたいれい

440 Hz と 442 Hz のおと同時どうじらすと、

fbeat=|442-440|=2[Hz;T-1]

である。1 びょうあたり 2 かいつよこえる。

9見分みわかた

  • おとたかさなら振動数しんどうすうる。
  • おとおおきさなら振幅しんぷく強度きょうどる。
  • 波長はちょう振動数しんどうすうなら v=fλ使つかう。
  • ちかい 2 振動数しんどうすうなら、うなりをうたがう。
  • かん共鳴きょうめいなら、開口端かいこうたん閉口端へいこうたん確認かくにんする。

10どこまで成立せいりつするか

音速おんそく媒質ばいしつ性質せいしつ温度おんど依存いぞんする。空気くうき音速おんそく340[m/s;LT-1] とするのは近似きんじである。気柱きちゅうでは開口端補正かいこうたんほせいにより、有効長ゆうこうちょう実際じっさいながさよりすこながくなる。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=fλ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]fbeat=|f1-f2|
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]fn=(2n-1)v4L

12一言ひとこと

音波おんぱ空気くうき疎密そみつつたわる縦波たてなみである。たかさ、おおきさ、はやさを混同こんどうしない。

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