🎵 筒の中の音波を調べよう

🧪 セットアップ

紙筒にマイクとスピーカーを取り付けてください。

🔊 スピーカー 🎤 マイク 筒の長さ L

⚙️ デバイス設定

→ 上のボタンを押すとブラウザの許可ダイアログが表示されます

🎙️ 録音する

スピーカーやマイクを接続してください。スピーカーは筒の片端から5 cmほど離して置きます。
「Impulse音」の場合…マイクをその端近くに置きます。その後、[Impulse]ボタンで短い音を鳴らして録音します。
「White Noise」の場合...マイクをその端から数cm内側のところに置きます。その後、[White Noise]ボタンでノイズを鳴らして録音します。

待機中
A
~ Hz
時間 →
表示幅:100% スクロール:
Aの波形をクリックしてマーカーを置いてください(最大4点)。
周波数軸: 表示範囲: Hz ~ Hz FFTサイズ: ピーク表示: ピークしきい値:
現在の表示範囲に対してFFT(Hann窓)を実行。縦軸: dB(最大値基準)、横軸: 周波数 Hz
B
~ Hz
時間 →
表示幅:100% スクロール:
Bの波形をクリックしてマーカーを置いてください(最大4点)。
周波数軸: 表示範囲: Hz ~ Hz FFTサイズ: ピーク表示: ピークしきい値:
現在の表示範囲に対してFFT(Hann窓)を実行。縦軸: dB(最大値基準)、横軸: 周波数 Hz
C
~ Hz
時間 →
表示幅:100% スクロール:
Cの波形をクリックしてマーカーを置いてください(最大4点)。
周波数軸: 表示範囲: Hz ~ Hz FFTサイズ: ピーク表示: ピークしきい値:
現在の表示範囲に対してFFT(Hann窓)を実行。縦軸: dB(最大値基準)、横軸: 周波数 Hz

📐 計算

v = — m/s
参考値(空気中):— m/s (0℃で331.5 m/s、気温補正 +0.6T)

★ 解説(反射の探究)

🔓 開口端の反射

🔒 閉口端の反射

📏 開口端補正

🔁 多重反射

開口端の反射とは

開口端では、音波は位相が逆転して反射します(自由端反射)。
これは弦の自由端と同じで、疎の部分が密になって帰ってきます。
波形上では、2番目のピークが最初と逆向き(符号反転)になることがあります。

入射波 開口端 反射波(逆位相)

実験のやり方

  1. 筒の反対側の端を開けたまま録音する
  2. 波形で1番目・2番目のピークの符号(正か負か)を比べる
  3. 逆向きになっていれば開口端の位相反転が確認できる
開口端反射では、反射波の位相はどうなる?

閉口端の反射とは

閉口端(固定端)では、音波は同位相のまま反射します(固定端反射)。
壁で完全に跳ね返るため、反射波のピークは入射波と同じ向きになります。
また閉口端は入射波と反射波が重なって振幅が2倍になる(腹)の節点になります。

実験のやり方

  1. 筒の反対側の端を手や厚紙でふさぐ
  2. 録音して波形を観察する
  3. 開口端のときと反射波の符号を比べる
  4. 反射波の振幅はどうなった?
閉口端(壁)での反射は「固定端反射」。波形上では反射波の符号はどうなる?

開口端補正とは

実際には、音波は筒の端よりも少し外側まで出てから反射します。
この「余分な長さ」を開口端補正 ΔLといいます。

理論式:ΔL ≈ 0.6 × r(r は筒の内径の半径)

これを考慮すると、実効的な長さは L + ΔL になります。

開口端補正を実験で確かめる

  1. 音速の既知値(理論値)と往復時間 Δt から、実効長 L_eff = v × Δt / 2 を計算する
  2. 実際の筒の長さ L を引いて ΔL = L_eff − L を求める
  3. 理論式 ΔL = 0.6r と比較する
開口端補正 ΔL の式は?(r = 筒の内半径)

多重反射

音波は端で反射した後、もう片方の端でさらに反射して戻ってきます。
そのため波形には、3番目・4番目…と等間隔に反射ピークが並ぶはずです。

ピークの間隔 = 往復時間 Δt = 2L / v(一定)

多重反射を使うと、より多くのデータ点から平均を取ることができ、精度が上がります。

やり方

  1. ズームを使って波形を詳しく表示する
  2. 3つ目・4つ目のピークも探してみよう
  3. 隣り合うピーク間の時間差を複数測定して平均をとる
  4. 1往復目の値と比べてどうか?
多重反射を使うと精度が上がる理由は?