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音の振動の仕組みとは？
- 音の振動の仕組みについて質問します。NHK高校講座物理で筒の中で音の振動を見ていると、腹と節の動きがあることを知りました。音の周波数を変えると腹や節の数も変わるそうですが、これはどうしてなのでしょうか？また、私たちは筒の中の空気分子の振動をどのように耳に入れて聴いているのでしょうか。
- 音の振動の仕組みについて疑問があります。NHK高校講座物理で筒の中で音の振動を見ていると、腹と節という動きがあることを知りました。音の周波数を変えると腹や節の数も変わるそうですが、これはどのようにして起こるのでしょうか？また、私たちは筒の中の空気分子の振動をどのようにして耳に入れて聴いているのかが気になります。
- 音の振動についての仕組みについて質問です。NHK高校講座物理で音の振動を見ていると、腹と節という動きがあることを知りました。音の周波数を変えると腹や節の数も変わるそうですが、これにはどのような理由があるのでしょうか？また、私たちが筒の中の空気分子の振動をどのようにして耳に入れて聴いているのかが分かりません。教えてください！
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＞筒が音を出しているときには、筒の中の空間に空気分子が動かないところ（節？）とめっちゃ動くところ（腹？）ができていると考えました。 これは正解。 ＞その特徴は動かない空気分子たちと動く空気分子たちが規則正しくならんでいる（たぶん周波数と関係するような・・・）からと考えたのですが、正しいですか？ これも正しいと思います。 節と腹というと、音が波線のような波で伝わっていると誤解をしそうですが、音は粗密波（縦波）で、密度の違いが伝わる波です。 その波が筒の出口や底の部分で反射して重なり合うのですが、筒の長さと周波数によっては、打ち消しあって波が小さくなったり、重なり合って波が大きくなったりするわけです。 反射した波がピッタリ重なり合うとき、空気が振動しないところ（節）と空気が大きく振動するところ（腹）が出来ます。 振動といっても音は粗密波なので、節の部分ではほとんど動かず、腹の部分では押し縮められたり、引き伸ばされたりしているという感じです。 筒から出た波（音）には腹や節はありません。筒の出口の振動がそのまま耳に伝わってきます。従って、腹の部分が筒の出口に来ると、筒の出口の空気が最も大きく振動し、最も大きく音が聞こえます。
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- drmuraberg
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質問の中で、音を伝える空気を連続的な媒体と考えるか、個々の分子から成る集合体と考えるか が混在している様に見えます。 空気を窒素Ｎ２約８０％、酸素約２０％、水（水蒸気、２０g/m3程度）、その他微量分子の混合物 と考えればそれぞれの分子は500～600m/秒で常にランダムに動いていて、静止した空気分子と 云う物も規則正しく並んだ空気分子と云う物も有りません。 空気を構成する分子（以下空気分子）は、音速の２倍以上の速さで動き回り、互いに衝突しています。 衝突の回数は１秒間に数十億回／秒になります。 分子の尺度から見れば、空気分子のこの動きがどのように音のエネルギを伝え、それがどの様にして 節と腹として観察されるのかを説明することになります。 結構難しいので、円柱の容器で、その円板部の一方が振動する膜、他方が堅い反射板になっている ものの中に空気分子を入れた筒を考えて見ます。 膜を叩かなければ、空気分子は筒の温度に相当した速さで筒内を飛び回り、その平均速度に応じた 圧力を膜に及ぼしバランスの取れた状態となります。 温度を上げれば、空気分子の平均速度が上がり、膜に働く力も大きく、膜が外に膨らんだ状態で バランスが取れます。 さて膜を叩いて振動を与えて見ます。 膜は中心位置の前後に周期的に振動します。筒内に飛び出して、最大飛び出し位置で 速度ゼロになり、戻り中心位置で最大速度になり、反対側でも同様な動きをします。 静止した壁に当たる空気分子は、壁と反対方向に同じ速度で弾き返されます（弾性衝突）。 例えば、下側４５°から当たれば上側４５°に同じ速さで飛び去ります。 膜が筒内側に動いている場合は、衝突前の速度プラス膜の速度（ベクトル的な加算で）。 膜が筒外側に動いている場合は、衝突前の速度マイナス膜の速度（ベクトル的な加算で）。 この衝突の時に、膜近傍にありながら衝突の影響を受けない空気分子もたくさん有るわけです。 筒中の空気を薄輪切りにして見ると、ランダムに平均的な速さで動く多数の空気分子の中に 膜の動きで加速された空気分子や減速された空気分子を含む層ができています。 この各層の空気分子の動きは衝突で隣の層に伝えられます。この伝達の速さが音速です。 この速い空気分子と遅い空気分子を含む空気分子層が固定壁（鼓膜等の）に到達すると、 空気分子はその速さ分布に応じた運動エネルギの一部を圧力として固定壁に伝えます。 壁が鼓膜なら、これが音となり聴えます。 空気の波を連続媒体中の何らかの変位と考えるよりは、エネルギ伝達による圧力変動波（縦波） ととらえることができます。弦の振動（横波）のイメージを音に置き換える場合は注意してください。 音の腹と節は、この圧力変動として定常的に移動する波に観察されます。 下記ＵＲＬの「定常波」にこの辺が判り易く説明してあります。 http://hr-inoue.net/zscience/topics/sound2/sound2.html
お礼
ありがとうございます。 そうなのです、熱エネルギーで動いている分子たちが、例えば定常波のときはある場所ではより動いて、ある場所では止まっているのかなぁとそんな変なことを考えていました（汗） >筒中の空気を薄輪切りにして見ると、ランダムに平均的な速さで動く多数の空気分子の中に >膜の動きで加速された空気分子や減速された空気分子を含む層ができています。 >この各層の空気分子の動きは衝突で隣の層に伝えられます。この伝達の速さが音速です。 これで頭が整理できました。ランダムな動きをしている空気分子たちの中に、加速や減速している空気分子たちの層ができる。そして、ある特定の方向（膜側を叩いたら、膜側→壁側：波の伝わる方向）にその層が隣の空気分子たちにぶつかって行くわけですね。 そうすると、例えば鼓膜にその空気分子たちの波がぶつかってくるのを想像すると、ぶつかってくる強さ（空気分子の運動エネルギーの強さ）が音圧で、一秒間に何回その加速空気分子層がぶつかってくるかの頻度が音の高さ（周波数）ということになるでしょうか。
- el156
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No.2の質問にお答えします。まず「閉じ込められた場所」「開いた場所」の2種類を想像してみてください。閉じ込められた場所というのは例えば瓶の底のように行き止まりで空気の動けない所です。空気が動けない訳ですから空気の速度は速くなりようがありません。でも、だからこそ、圧力が上がる訳です。空気は動けませんから圧縮されるしかないということです。逆に開いた場所というのは瓶の口のように空気が自由に行き来できる場所です。空気の速度は簡単に速くなります。でも圧力は逃げてしまうのであがりません。こういった場所では圧縮は効かないということです。節は「閉じ込められた場所」、腹は「開いた場所」と同じ状態で、共鳴管ではそれが交互にやってきます。弦の場合で言えば、中央は一番大きく振動していますが、弦の中央部の張力は殆ど変化していません。逆に弦の両端の固定端は固定されている訳ですからもちろん振動していない訳ですが実は張力は一番大きく変化しています。この張力の変化(振動)がなければ弦は振動を通づけることはできません。止まっているように見えても固定端は人知れずしっかり振動の役に立っています。こういったメカニズムは、先の例の振り子も含めて、あらゆる「振動」の基本になっています。
お礼
ご説明を加えていただいてありがとうございます！！ 空気が動けないと圧縮されるしかない→圧力があがる 空気が自由に動くスペースがあると速度も早くなり、一見圧力が高くなりそうと誤解していましたが、逃げるスペースもあるので圧力は低い。 わかりました(^^)
- el156
- ベストアンサー率52% (116/220)
発砲スチロールの粉が動いていない所は、空気は動いていませんが実は圧力が大きく変化しています。発砲スチロールの粉が一番激しく動いている場所は空気は激しく動いていても圧力が殆ど変化していません。共鳴管が、例えば底のある瓶のようなものなら、瓶の底は動けないので空気は動きませんが圧力が大きく変化する場所になります。瓶の入り口は圧力が上がりませんが空気は自由に動けるので発砲スチロールの粉が一番激しく動く場所と同じです。圧力の振動と空気の動く速さの振動は瓶の長さに沿って入れ替わって行きますが、瓶の底の状態と入り口の状態は固定されているので、何倍、というような飛び飛びの状態しか取れません。入れ替わる回数が多いと音の波長が短くなって音は高くなります。圧力の振動と空気の動く速さの振動の入れ替わりは、瓶を飛び出しても続きます。これが耳に入って鼓膜を振動させれば音になって聴こえます。圧力の振動と空気の動く速さの振動の入れ替わりのような「入れ替わり」は、他にもたくさんあります。位置エネルギーと運動エネルギーが入れ替われば振り子が振動します。電気エネルギーと磁気エネルギーが入れ替わって振動が続けば電波になります。
お礼
音だけじゃなくていろんな現象を知っている回答者様だと思います。ありがとうございます。 難しくて十分に理解できないのがちょっと残念です。 筒の中で発泡スチロールの粒がいっぱい動いている（空気が動いている＝空気分子が動いている）ところが圧力が強くて、動いていないところが圧力が弱いのではないのですか？ 「空気が動いていないのに圧力が大きく変化している」ということがどうも想像できなくて・・・。その逆の「一番激しく動いているところは圧力がほとんど変化してない」というところもです（涙） 圧力の振動と空気の動く速さの振動の入れ替わり（？）、理解できていないのですが、No1さんのところのお礼で「 | 」で記載したように瓶を飛び出して耳まで行くのは正しいのかなぁと思っています。
- 中村 拓男（@tknakamuri）
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筒の中に腹と節ができる現象は定常波(Standing Wave) といって反対に進む2個の波の合成として得られるものです。 ギターの弦の振動も定常波です。 つまり2個の波の干渉現象なんです。 音自体は、空気の圧力の強弱が空間を猛スピードで伝わる現象です。
お礼
ありがとうございます。 そうです、それです！！ 定常波ってテレビでも言ってました。反対に進む２個の波の合成ということも言ってましたよ。 音は空気を構成している分子は移動しないで、その分子たちの密集の具合である「圧力」が強いところと弱いところが移動していってるという現象なのですね。 ちなみに瓶の中が [||||（圧力強） | | （圧力弱） ||||（圧力強） | |（圧力弱） ってなっていて定常波になっていたとして（左側が瓶の底で右側は開いてます） これが外にいる私たちに聞こえるとすれば、瓶の外にも 瓶 |||| | | |||| | | →（音の波の進行方向） 耳 な感じで定常波の節と腹の間のcmが同じ形で耳まで行くのでしょうか。
補足
「 | 」で音の圧力の波を書いたところ、等間隔になってませんね・・・。入力したときは等間隔にしたのに・・・。見にくくてすみません。
お礼
ありがとうございます。 私の解釈の正誤を教えていただいて助かりました。 ちなみに、私は波線のような波を想像してました（汗） 音は密度が変わる波なのですね。おかげさまでNo1さんへのお礼から、密度が変わる波だと理解しながら書き込みができています。 No2さんのところでもよく理解できなかったのですが、「振動といっても音は粗密波なので、節の部分ではほとんど動かず、腹の部分では押し縮められたり、引き伸ばされたりしているという感じです。」というのは、 節の部分では発泡スチロールの粒は動かないので空気が動いていないといえる＝空気分子の移動距離が小さい（熱エネルギーで分子が動いている速度とは違う） 腹の部分では発泡スチロールの粒がたくさん動くので空気が動いているといえる＝空気分子の移動距離が大きい（熱エネルギーで分子が動いている速度とは違う） という理解でいいのでしょうか。 そして、ここでいう空気分子の移動距離の量（というか幅というか）が節ではほぼ０で、腹では５ｍｍ（だから発泡スチロールの粒の移動距離の範囲は５ｍｍ以内）という感じかと想像しています。