物理で音波の変位図の利点は何がありますか？

質問

物理では縦波を横波表示の変位図で説明しますが、音の大きさが分かる音圧図と波形が逆です。
わざわざ基準線部を粗密にしなくても谷山の音圧図の方が分かりやすいです。
変位図は何か利点があるのでしょうか？

回答No.3

QCD2001 · ベストアンサー

インピーダンスの違いによってなぜ反射するのでしょうか？
高校生にわかるでしょうか？
閉端部ではなぜ逆位相で反射するのでしょうか？
空気の分子の移動を使わずに、高校生に理解できるような説明が可能でしょうか？

そもそも「固定端反射」とは何でしょうか？
分子の運動を使わずに、高校生にわかるような説明をして見せて下さい。

お礼

https://www.youtube.com/watch?v=wOV18S0zouY
高校物理管共鳴で速度図で説明されていますので理解できると思いますが、耳に聴こえる音圧図で管の奥の閉端部は粗密の変化で音が大きい所で、開端部は腹の形だけど大気圧部で自由に動く自由端だから正相でなぜか気柱と空中との違いでそのまま反射すると詳しい理由も言わずに説明されています。
インピーダンス違いで反射すると言う意見に賛同しています。

耳に聴こえる音圧図で説明すると閉端部が自由端で、開端部が固定端に逆に説明も図も逆になるのです。
高校生でも先生さえ鵜呑みで覚えていると思います。
固定端反射とは両方を固定している弦の振動やウエーブマシンで固定している時に見られる反射だと理解しています。
岸壁に波が当たると固定端では無くてそのまま反射する自由端とされていると理解しています。

高校物理の速度図での記事やYouTube動画が沢山ありますが耳に聴こえる音圧図と逆なので理解困難なはずです。

補足

高校物理の音波説明図だけが、
空気粒子が左右に動く様子の速度図なので耳に聴こえる音の大きさと逆の波形なので錯誤します。
地震の縦波、心拍、振動、音波など大きさを示す縦図が世界中で普通です。
横図の速度図を使う意義は無いと理解します。
錯誤する速度図での教育は害になります。
普通の音圧図で教育するように教育関係者さんに改善をお願いしたいです。
生の声の回答を頂いたとしてベストアンサーとします。
ありがとうございました。

回答No.2

QCD2001

＞片方が開放端で片方が閉端で波長の1／4になるような振動数の共鳴は閉管共鳴で奇数倍の倍音が生じます。

＞閉端部の反射や、空中で球面波に変わるインピーダンス違いで多くが反射して重なる結果で共鳴が出ますが

閉端部の反射やインピーダンス違いによる反射であるなら、１／２波長になってもよいのではありませんか？１／４になるのはなぜですか？
空気分子の変位を使わずに説明できますか？

なお、音圧図と変位図とでは波形は逆ではありません。正弦波では９０度ずれた波形になります。

お礼

閉端部の反射は自由端反射になって位相がそのまま反射して音圧が大きい所で、
開端部の固定端との反射で1/4波長共鳴になります。

開端部のインピーダンス違いによる反射は固定端反射で逆相で反射する音圧が小さい所で、
両方が固定端なので1/2波長共鳴になります。

実際の測定結果ですが、空気分子の変位を使う速度図では波形が逆になるので閉端部は速度がゼロで開端部は速度が大きい図になるので自由端と固定端の説明が逆になります。

音圧と速度は90度違うので速度図は波形が180度逆になります。
音圧図は山谷で音が大きいが速度図は音がゼロです。
なぜ高校物理では速度図を使うのでしょうか？

回答No.1

QCD2001

音圧図と変異図とでは目的が異なります。利点がどうのこうのという問題ではありません。

例えばパンの笛のような片側が閉じた円柱形の物体の中の空気を振動させて共鳴させる場合、円柱の長さが波長の1／4になるような振動数の音が共鳴します。しかし両端が開いた円柱の場合には、円柱の長さが波長の１／2になるような振動数の音が共鳴します。これはなぜでしょうか？
また、片方が閉じた円柱では上記の周波数の他にその奇数倍の周波数の音でも共鳴するのに対して、両方が開いた円柱では奇数倍だけでなく偶数倍の周波数の音でも共鳴します。
なぜ両方が開いていると整数倍でも共鳴し、片方が閉じている場合には奇数倍でしか共鳴しないのでしょうか？
その前に、１.１倍とか、２.３倍とかではなぜ共鳴しないのでしょうか？
変位図で考えればわかりますが、音圧図で考えてもさっぱりわかりませんよね。

お礼

音圧図は耳やマイクで音が大きい小さいと感じる普通に使われる山谷波形で表示します。
変位図と言われている高校物理の図は空気粒子が速く動く所を腹（山谷）と表して、基準部の動かない所を節として疎密で音が大きい所とされるので耳やマイクで感じる音の大きさと逆になるので世間とは逆に考えないといけないのです。
変位図と言うより粒子速度を表す速度図だと思います。
音波を耳でどのように感じるかの研究から速度図が出来たと思いますが、図示する場合には変な横図にせずに普通に素直に縦図で山谷で表示する方が理解しやすいです。
速度が速いと音が小さいと言うのは音圧図の節部を見れば良く分かります。
地震計や心電図や音圧図なども変位大小の波形です。速度図は波形が逆になるのですが速度は何の目的で使われるのでしょうか？

片方が開放端で片方が閉端で波長の1／4になるような振動数の共鳴は閉管共鳴で奇数倍の倍音が生じます。
両端とも開いた円柱の場合には波長の１／2になるような振動数の開管共鳴し整数倍の倍音が生じます。
入力続ける音波と管端で気柱内平面波と、閉端部の反射や、空中で球面波に変わるインピーダンス違いで多くが反射して重なる結果で共鳴が出ますが外に出る音は微少です。
変位図で考えれば音圧図と波形が逆に表示されるので実際に聴こえる音の大きさを逆だと錯誤します。
音圧はPCやスマホで測定できますので試して欲しいです。