縦波とは？よくわかる日常生活での縦波9例

物理学では、波は、粒子の正味の動きを伴わずにエネルギーを伝達する媒質内の振動を指します。最も一般的な波は、電磁波と力学的波動の2つです。どちらも情報、エネルギー、運動量を伝達しますが、媒質内の粒子を伝達しません。

 

力学的波動は物質内の振動であり、物質を介してエネルギーを伝達します。ただし、電磁波(光など)は真空中を伝播することがあります。

 

力学的波動は、伝播する方法に基づき更に横波、縦波、および表面波の3つに分類できます。この記事では、縦波に焦点を当てて紹介します。

 

縦波とは何か？

縦波において、粒子は波の移動方向と同じ次元で媒質内を移動します。言い換えれば、粒子の変位は波が移動している方向に平行です。

 

図1

 

縦波の簡単な例は、圧縮コイルバネに沿って移動する圧縮です。圧縮コイルバネを水平に押したり引いたりすることで縦波を発生させることができます。

 

媒質を通過するとき、これらの波は圧縮と希薄化を引き起こします。

 

・圧縮は、波動粒子が互いに接近している高圧領域です。

・希薄化は、粒子が離れて広がる低圧領域です。

 

図1に示すように、圧縮は左から右に移動し、エネルギーは同じ方向に伝達されます。しかし、縦波に沿って運ばれる粒子は1つもありません。代わりに、波が媒質を通過するときに、すべて圧縮の間で前後に移動します。

 

 

2つの連続する領域の中心間の距離(圧縮または希薄化の間)によって、縦波の波長が決まります。固体、液体、気体など、あらゆる媒質で形成されます。

 

この現象をよりよく説明するために、人が日常生活で目にする縦波がよくわかる例を紹介します。

 

9.音叉の振動

 

 

形態:　音波

 

音叉は、振動する物体がどのように音を発生させるのかを明確に示しています。音叉にはハンドル部と弾性金属(通常は鋼)で作られた2つのプロングが含まれています。ゴムハンマーで音叉を叩くと、プロングが振動し始め、近くの気体分子の乱れを引き起こします。

 

プロングが通常の位置から外側に伸びると、周囲の気体が収縮し、プロングの隣に高圧領域(圧縮)を形成します。次に、プロングが内側に動くと、周囲の気体分子が広い空間領域に拡張され、プロングの隣に低圧領域(希薄化)を形成します。

 

プロングが振動する限り、それらは高圧領域と低圧領域の交互のパターンを形成します。これらの領域は隣接する気体分子を通って移動し、ある場所から別の場所に音声信号を運びます。

 

8.子宮内の胎児の診断

 

子宮内の胎児の超音波検査|ウィキメディア

 

形態：高周波音波

 

超音波検査では、超音波を使用して、血管、筋肉、関節、腱、内臓などの体内の部分の画像を生成します。これらの超音波画像は、プローブを使用して超音波パルスを組織に送することによって形成されます。パルスは、反射特性を持つ組織を反射し、処理されてデジタル画像に変換されます。

 

他の医用画像技術とは異なり、超音波はリアルタイムで画像を生成します。機器は持ち運び可能で安価であり、有害な電離放射線を使用しません。ただし、視野が限られており、熟練オペレーターが必要になります。

 

7.雷が近くに当たったときの窓の揺れ

 

 

形態：音波

 

雷雨の間、雷の放出は非常に長い距離を伝播する強力で速い圧力波を生成します。これらの波がオフィスや家に届くと、音波に反応して鼓膜が振動するのと同じように窓ガラスが振動します。

 

オフィスや家と窓の属性(断熱レベル、窓枠の構造、ガラスの厚さなど)に基づいて、振動する窓ガラスは固有のノイズを生成する可能性があります。ほとんどの場合、ガタガタ、ブーンという音です。

 

6. 津波

 

 

形態：水波(または表面波)

 

津波は毎日目にするものではありませんが、縦波のあらゆる側面をカバーするために津波をリストに含めました。津波が高潮と大きく異なるのは、海底地震が原因であるという点です。

 

通常の海の波とは異なり、津波は重力の影響下で水が移動し、池の波紋のように海を横切って放射するときに発生します。通常の波は水の上層の動きだけを含みますが、津波は海底から水面までの水柱全体の動きを含みます。

 

波が水の中を伝わると、粒子は円形のパターンで移動します。これらの円の半径は、水深が増すにつれて減少します。これは、より深い水深で、水波が縦波として振る舞うことを意味します。そして水面近くでは、水の波は横波として振る舞います。

 

5.  非破壊検査

 

 

形態：高周波音波

 

非破壊検査は、システム、コンポーネント、または材料を損傷することなく特性を評価するために科学技術業界で使用される幅広い検査技術です。

 

頻繁に使用される技術の1つは超音波試験であり、これは試験される材料または物体内の超音波の伝播に依存しています。周波数 0.1〜50 MHzの非常に短い超音波パルスがコンポーネントに送信され、内部の欠陥や材料特性が検出されます。

 

超音波は感度が高く、透過力が高いため、部品の奥深くに隠れている非常に小さな欠陥を検出することが可能です。この手法は即座に結果が出るため、エンジニアは現場で決定を下すことができます。主に金属合金とコンクリートに使用されます。

 

4. 従来のサブウーファー

 

 

形式：低周波音

 

サブウーファーは、消費者向け製品では20〜200 Hz、プロ用ライブ音響機器では100Hz未満の低音の可聴周波数を再生するように設計されています。決して単独で使用されることはありません。代わりに、より高い周波数帯域をカバーするスピーカーの低周波数範囲を拡大します。

 

曲を再生すると、ウーファーコーンにかすかに動きが見られます。実際に出入りしているので、口を覆うと手に空気圧が感じられます。これは、ウーファーが気体粒子を出し入れすることで縦波を生成しているためです。

 

3.  地震波 P波

 

P波(黄色の矢印)はマントルとコアを通過する可能性があります|画像提供：Byron Inouye

 

形態: 地震波

 

地震波は地層を通過します。地震波は、火山の噴火、地震、大規模な地滑り、マグマの動き、および大規模な人為的な爆発によって発生します。地球の内部を伝わる地震波には、第一波(P波)と第二波(S波)の2種類があります。

 

第一波(圧力波とも呼ばれます)は、本質的に縦波です。他の波よりも速く移動(地球のマントルとコアで最大8 km /秒、地球の地殻で最大6 km/秒）するため、地震計で最初に検出される信号です。

 

P波は、特殊なパターンで地球の固い岩や流体(液体層)を通過することができます。地震から発生するP波を聞くことができる動物もいます。たとえば、猫と犬は地震の数分前に奇妙な行動を開始します。対照的に、人間はこれらの波のでこぼこやガタガタしか感知できません。

 

2. 音響兵器

 

ブルー・リッジ 揚陸指揮艦の長距離音響装置

 

形態：強力な音波

 

音響兵器は、高い超音波周波数を使用して、敵を無力化、負傷、または殺害します。軍隊や警察によって使用されていますが、いくつかの種類の音響兵器は現在研究開発段階にあります。

 

これらの兵器は縦の音波を発生させ、人間に不快感や吐き気を引き起こす可能性があります。群集管理において抗議者や暴徒を解散させるためによく使用されます。

 

高出力の音波を使用する武器は、敵の鼓膜を破壊し、激しい痛みや失見当識を引き起こす可能性があります。研究によると、高密度超音波(700 kHz ～ 3.6 MHz)への曝露は、マウスの腸および肺の損傷を引き起こします。

 

1. 音響顕微鏡

 

走査型音響顕微鏡

 

形態：超高周波超音波

 

音響顕微鏡は、ほとんどの固体材料に浸透し、亀裂、空所、層間剥離などの内部の特徴を明らかにします。10MHz～500MHzの範囲の周波数で動作します。

 

たとえば、走査型音響顕微鏡は、生物学や医学の研究でよく使用されます。組織や細胞の弾性に関するデータを提供し、特定の位置に構造を保持する物理的な力や細胞骨格のような構造の力学に関する貴重な情報を提供します。

 

過去10年間で、ピコ秒超音波法に基づくいくつかの音響顕微鏡がGHz周波数で動作することが実証されています。機械的特性を調べるためのナノ構造、量子井戸、および単一の生体細胞への適用がますます増えています。