コンサートに行って音を「見」てみましょう！えっと、音には形があるんですか？

音の形とは？

コンサートにいるところを想像してください。周囲の照明が徐々に暗くなり、ステージ中央のバイオリニストにスポットライトが当たります。観客は沈黙している。彼女が弦に弓を引くと、美しい音が中央から流れ出て、ゆっくりとホール全体に響き渡り、あなたの心も満たされていきます。

バイオリンの美しい旋律の音色に驚嘆するとき、一見普通のバイオリンの改造とデバッグになぜ数ヶ月もかかるのか疑問に思ったことはありませんか。このプロセスの謎は何でしょうか?

心配しないでください。今日の主人公であるクラドニの人物について知れば、この質問に対する答えが自然にわかるようになります。

01 ニコラグラフィックス

18 世紀、ドイツの物理学者エルンスト・クラドニは、幅広の金属板を置き、その上に砂を均等に撒くという実験を行いました。次に、弓弦を使って砂を引っ張ると、細かい砂が自動的にさまざまな美しい模様を形成します。弓弦のリズムが速くなるにつれて、パターンは変化し続け、より複雑になります。これが有名なクラドニ図形です。

エルンスト・クラドニ

それは神秘的で、どのように見えるか想像もつきません。それは非常に美しく、常に人々の想像を超えた形でボード上に現れます。

次のようになります:

はい、これらは本物のクラドニパターンです!これを見ると、クラドニ模様の神秘性と美しさに驚嘆すると同時に、次のような疑問も湧いてくるはずです。一体何がこれらの砂を自動的に「軍隊と隊形を展開」させ、美しい模様を形成させるのでしょうか?

02定在波

それから、彼らの「指揮官」である魔法の「定在波」について触れなければなりません。

「定在波？次から次へと波が来ているだけじゃないの？」

心配しないでください。Baidu 百科事典の説明を見てみましょう。

定在波とは、同じ周波数で伝送方向が反対の 2 つの波 (必ずしも電波ではない) によって伝送線路に沿って形成される分布状態を指します。通常、一方の波はもう一方の波の反射です。

2 つの電圧 (または電流) が加算される点に腹が現れ、2 つの電圧 (または電流) が減算される点に節が形成されます。波形上では、節と腹の位置は変化せず、「静止している」という印象を与えますが、その瞬間値は時間とともに変化します。 2 つの波の振幅が等しい場合、ノードの振幅はゼロになります。

ちょっとめまいがしますか？より直感的な図を見てみましょう。

右波

左に手を振る

2波合成

定在波

2 つの波が交差した後の合成結果として、「波のノード」は動かないことがわかります。

音波は物体に依存して伝播する振動波であることがわかっています。砂が載った皿があると、その皿は定在波の形で振動します。振動しない「ノード」が多数存在します。ノード位置にない砂は、ノード位置に「ジャンプ」するまで「ジャンプ」し続け、その後変化が止まります。定在波がもっとカラフルな形をしていたら、「一緒にジャンプ」した後に集まった砂もカラフルな形になるはず！そして、この見事な図形こそが「クラドニ図形」です。

次に、Chladni パターン デモンストレーターのセットアップをご覧ください。

振動発生器は、その名の通り、連続的に振動を発生させる機器です。ロッドを上下に振動させることで、振動板の中心から「音波」、つまり振動波が伝わります。音波はまずプレートに沿って中心から外側へ伝播します。

音波が板の端に達すると、同じ周波数で反射されて反射波が形成されます（音波が元の素材の端に達したとき、元の方向に沿って伝播するには、ある素材から別の素材に入る必要があります。このとき、音波の一部は反射されます。これは、中心からの音波が最初に板から空気に入り、次に板の端で反射されることに相当します）。前回の定在波の紹介で述べたように、定在波は同じ周波数で伝播方向が反対の 2 つの波 (通常、一方の波はもう一方の波の反射波) が重ね合わされて構成されます。したがって、振動発生器の振動周波数を変えずにボード上に定在波を発生させ、その上に砂をまけば、自動的に美しいクラドニ図形にジャンプします。これが私たちの「クラドニ図形デモンストレーター」の原理です。

03質問回答

さて、クラドニ図について分かったところで、元の質問に戻りましょう。 「一見普通のバイオリンの調律になぜ数ヶ月もかかるのでしょうか？」

これには、私たちの実験と密接に関係する理由があります。バイオリンのシェルは音にとって重要な部分であり、シェルの厚さや形状の違いは振動に大きく影響し、バイオリン全体の音質に影響します。私たちの装置の振動板と同様に、その形状や厚さが変わると、振動周波数が同じであっても形成されるクラドニパターンは大きく異なります。

バイオリンのボディを彫刻してバイオリンの美しい音色を調整するために、バイオリン製作者は魔法のクラドニパターンを借用しました。バイオリンの外殻を「振動板」として使用し、その上に砂をまき、一定の周波数を入力して外殻を振動させ、形成されたクラドニパターンを観察することで、外殻の厚さと形状が「優れたバイオリン」の要件を満たしているかどうかをリアルタイムで判断できました。このように響板を繰り返しモニタリングし、研磨することで、響板は最終的に振動し、より正確な音を出すようになります。

抽象化といえば、ここにいくつかの制作図面があります。

入力バックプレーンの振動周波数は次のとおりです。

91Hz、138Hz、231Hz、

196Hz、306Hz、312Hz、392Hz。

バイオリンを研ぐのに10年もかかる理由が分かりましたか?

実際、クラドニパターンは、私たちが音を感じ、理解し、使用する何千もの方法のうちの 1 つにすぎません。 「音をみる」ことができる素晴らしい現象や装置がたくさんあります。一緒に探検してみましょう！

寄稿者: 西南大学科学普及宇宙ステーション、重慶物理学会、北碚区科学技術協会

監査専門家：張 喬明

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