波の物理学は、水のような日常の波から光まで、さまざまな現象をカバーしています。 音、さらには素粒子レベルでさえ、波は次のような粒子の振る舞いを表します 電子。 これらの波はすべて同様の特性を示し、それらの形態と動作を説明する同じ重要な特性を持っています。
波の最も興味深い特性の1つは、「定在波」を形成する能力です。 おなじみの音波の用語でその概念について学ぶことはあなたを助けます 多くの楽器の動作を理解し、量子内の電子の軌道について学ぶ際の重要な基礎を築きます。 力学。
音波
音は縦波です。つまり、波は進行するのと同じ方向に変化します。 サウンドの場合、このバリエーションは一連の圧縮（密度が増加した領域）の形で提供され、 空気や固体など、移動する媒体の希薄化（密度が低下した領域） オブジェクト。
音波が縦波であるという事実は、複数の「波長」が同時に鼓膜に当たるのではなく、圧迫と希薄化が次々に鼓膜に当たることを意味します。 対照的に、光は横波であるため、波形は進行方向に対して直角になります。
音波は、声帯からのものであれ、振動する弦からのものであれ、振動によって生成されます。 ギター（または楽器の他の振動部分）、音叉、または皿の山が 床。 これらのソースはすべて、周囲の空気に圧縮とそれに対応する希薄化を引き起こし、これは音として伝わります（圧力波の強度によって異なります）。
これらの振動は、ある種の媒体を通過する必要があります。そうしないと、圧縮領域と希薄化領域を作成するものがなく、音は有限の速度でしか移動しないためです。 空気中の音速（摂氏20度）は約344 m / sですが、実際には 液体および固体での速度が速く、水中（20°C）で1,483 m / s、水中で4,512 m / sの速度 鋼。
レゾナンスとは？
振動や振動は、固有振動数と考えることができる傾向があります。 共鳴周波数. 機械システムでは、共振は、オブジェクトの共振周波数で周期的な力を加えたときに発生する音やその他の振動を強化するための名前です。
基本的に、オブジェクトが振動または振動する固有振動数に合わせて力を加えることにより、次のことができます。 動きを増幅または延長する–ブランコで子供を押すことと、既存の動きに合わせて押すタイミングを考えてください。 スイング。
音の共振周波数は基本的に同じです。 音叉を使った古典的なデモンストレーションは、概念を明確に示しています。2つの同一の音叉がサウンドボックスに取り付けられています（本質的に増幅します） アコースティックギターのサウンドボックスがギターの弦の振動に対して行うのと同じ方法で音を出し、そのうちの1つをゴムで叩きます。 木槌。 これにより、周囲の空気が振動し始め、フォークの固有振動数によって生成されるピッチを聞くことができます。
しかし、叩いたフォークの振動を止めても、同じ音が聞こえます。 他のフォークから来る. 2つのフォークの共振周波数は同じであるため、最初のフォークによって引き起こされた空気の振動によって引き起こされた空気の動きによって、実際には2番目のフォークも振動しました。
特定のオブジェクトの特定の共振周波数は、そのプロパティによって異なります。たとえば、弦の場合、張力、質量、長さによって異なります。
立っている音波
A 定在波パターン 波は振動しているが動いていないように見えるときです。 これは実際には 重ね合わせ 異なる方向に進行するが、それぞれが同じ周波数を持つ2つ以上の波の。
周波数が同じなので波頭が完璧に並び、建設的です 干渉–言い換えると、2つの波が加算され、どちらよりも大きな外乱が発生します そのままで。 この建設的な干渉は、2つの波が互いに打ち消し合う破壊的な干渉と交互になり、定在波パターンを生成します。
空気で満たされたパイプの近くで特定の周波数の音が発生すると、パイプ内に立ち音波が発生する可能性があります。 これにより共鳴が発生し、元の波によって生成された音が増幅されます。 この現象は多くの楽器の働きを支えています。
オープンパイプ内の音波
開いたパイプ（つまり、両側に開いた端があるパイプ）の場合、音の波長によって定在波が発生する可能性があります。 腹 どちらかの端に。 A ノード は定在波上の動きが発生しない点であるため、静止位置に留まります。一方、波腹は最も動きのある点（節の反対側）です。
最も低い周波数の定在波パターンには、パイプの各開放端に波腹があり、中央に1つの節があります。 これが発生する周波数は、基本周波数または第1高調波と呼ばれます。
この基本周波数に関連する波長は2_L_です。ここで、長さ、 L、はパイプの長さを指します。 定在波は基本周波数よりも高い周波数で作成でき、それぞれがモーションにノードを追加します。 たとえば、2次高調波は2つのノードを持つ定在波であり、3次高調波は3つのノードを持つというように続きます。
基本周波数は f1、の頻度 n次高調波は_fで与えられますn = nf1、およびその波長は2_L_ / n、 どこ L 再びパイプの長さを指します。
閉じたパイプ内の音波
閉じたパイプとは、一方の端が開いていて、もう一方の端が閉じているパイプのことです。開いたパイプと同様に、これらは適切な周波数の音で定在波を形成できます。 この場合、波長がパイプの開放端に波腹を、閉端に節を許容するときはいつでも定在波が存在する可能性があります。
閉じたパイプの場合、最低周波数の定在波パターン（基本周波数または第1高調波）には、1つのノードと1つの波腹があります。 長さのある閉じたパイプの場合 L、基本定在波は、波長が4_L_のときに生成されます。
この場合も、基本周波数よりも高い周波数で定在波が発生する可能性があり、これらは高調波と呼ばれます。 ただし、閉じたパイプでは奇数次高調波のみが可能ですが、それぞれが同じ数のノードと波腹を生成します。 の頻度 n次高調波は_fですn = nf1、 どこ f1 基本周波数であり、 n 奇妙なことしかできません。 の波長 n次高調波は4_Lです / n、再びそれを覚えている n 奇数の整数である必要があります。
オープンおよびクローズドパイプ共振のアプリケーション
あなたが学んだ概念の最もよく知られているアプリケーションは楽器、特にクラリネット、フルート、サックスなどの木管楽器です。 フルートはオープンパイプ楽器の一例であるため、両端に波腹があると定在波と共振が発生します。
クラリネットやサックスは、閉じたパイプ楽器の例であり、閉じた端にノードがあると共振が発生します。 （マウスピースのために完全に閉じているわけではありませんが、音波はそれがそうであるかのように反射します）そして開いた状態の腹 終わり。
もちろん、実際の楽器の穴は問題を少し複雑にします。 ただし、状況を少し単純化するために、パイプの「有効長」は、最初の開いた穴またはキーの位置に基づいて計算できます。 最後に、共鳴につながる最初の振動は、振動するリードによって、またはマウスピースに対するミュージシャンの唇によって生成されます。