(57)【要約】【課題】空間に超音波の定在波音場を発生させて、定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させることにより、浮揚物の位置及びその配列により音場を空間的に直接視認することができる音場可視化方法及び装置を提供する。【解決手段】超音波発振器１と、円筒型放射体２とからなり、該円筒型放射体２内に超音波による定在波音場を発生させ、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物１０を浮揚させて、前記定在波音場を視認可能にした。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発振手段と、円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させる定在波音場生成手段により、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させて、前記定在波音場を視認可能にした音場可視化方法。
【請求項２】
請求項１に記載の音場可視化方法において、前記円筒型放射体の高さ方向に振動の節部が２つ以上存在するようにした音場可視化方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の音場可視化方法において、前記定在波音場内に霧を導入する噴霧手段を有する音場可視化方法。
【請求項４】
超音波発振器と、円筒型放射体とからなり、該円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させ、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させて、前記定在波音場を視認可能にした音場可視化装置。
【請求項５】
請求項４に記載の音場可視化装置において、前記円筒型放射体の高さ方向に振動の節部が２つ以上存在するようにした音場可視化装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の音場可視化装置において、前記円筒型放射体の直径を６０ｍｍ〜３００ｍｍに設けると共に、円筒長を４０ｍｍ以上に設けた音場可視化装置。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれかに記載の音場可視化装置において、前記定在波音場内に霧を導入する噴霧装置を設けた音場可視化装置。
【請求項８】
請求項４乃至７のいずれかに記載の音場可視化装置において、前記超音波発振器が複数の周波数帯の超音波を発振するようにした音場可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、眼に見えない音場を視覚的に確認することができる音場可視化方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、科学館や学校の教育において、眼に見えない音場を理論的に説明する際に、種々の実験が行われるが、縦波である空中の音波を用いた実験としてクントの実験が知られている。
クントの実験は、一端をコルク栓で密栓した透明パイプ内に粉末を一様に撒いておき、他端に設けた弾性棒により縦振動を与えてパイプ内に定在波を発生させ、前記粉末が定在波の振幅の節部又は腹部に集まることを利用して定在波の波長を測定するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、クントの実験では、パイプの壁面に集まった粉末の間隔を測定することにより定在波の波長を測定することはできるが、パイプ内に発生した定在波を空間的に直接視認できないという課題があった。
また、クントの実験は、パイプ内という閉空間の現象を観察するのみであり、開空間においてその音場を体感しながら実験できるものではないという課題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、超音波発振手段と、円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させる定在波音場生成手段により、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させて、前記定在波音場を視認可能にした音場可視化方法を提供するものである。
本発明によれば、定在波音場生成手段によって円筒型放射体内に超音波の定在波音場が生成され、定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができるから、音場を空間的に直接視認することができる。また、円筒型放射体は両端が開放されているから、円筒型放射体内に手を入れて音場の存在を体感することができる。
【０００５】
また、本発明は、請求項１に記載の音場可視化方法において、前記円筒型放射体の高さ方向に振動の節部が２つ以上存在するようにした音場可視化方法を提供するものである。
本発明によれば、円筒型放射体の高さ方向にも振動の節部が２つ以上形成されるから、浮揚物の安定した浮揚を維持することができると共に、円筒型放射体内に立体的に定在波音場が分布している状態を視認することができる。
【０００６】
また、本発明は、請求項１又は２に記載の音場可視化方法において、前記定在波音場内に霧を導入する噴霧手段を有する音場可視化方法を提供するものである。
本発明によれば、定在波音場内に導入された霧は定在波音場の全ての音圧の節部に凝集し、渦又は液滴の状態になって浮揚するから、容易に定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができる。
【０００７】
また、本発明は、超音波発振器と、円筒型放射体とからなり、該円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させ、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させて、前記定在波音場を視認可能にした音場可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、円筒型放射体内に超音波の定在波音場が発生し、定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができるから、音場を空間的に直接視認することができる。また、円筒型放射体は両端が開放されているから、円筒型放射体内に手を入れて音場の存在を体感することができる。
【０００８】
また、本発明は、請求項４に記載の音場可視化装置において、前記円筒型放射体の高さ方向に振動の節部が２つ以上存在するようにした音場可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、円筒型放射体の高さ方向にも振動の節部が２つ以上形成されるから、浮揚物の安定した浮揚を維持することができると共に、円筒型放射体内に立体的に定在波音場が分布している状態を視認することができる。
【０００９】
また、本発明は、請求項４又は５に記載の音場可視化装置において、前記円筒型放射体の直径を６０ｍｍ〜３００ｍｍに設けると共に、円筒長を４０ｍｍ以上に設けた音場可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、出力が小さく安価な超音波発信器を使用しても浮揚物を音圧の節の部分に集めて浮揚させることができ、コンパクトで安価な音場可視化装置を提供することができる。
【００１０】
また、本発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の音場可視化装置において、前記定在波音場内に霧を導入する噴霧装置を設けた音場可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、定在波音場内に導入された霧は定在波音場の全ての音圧の節部に凝集し、渦又は液滴の状態になって浮揚するから、容易に定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができる。
【００１１】
また、本発明は、請求項４乃至７のいずれかに記載の音場可視化装置において、前記超音波発振器が複数の周波数帯の超音波を発振するようにした音場可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、複数の周波数帯の超音波を切り替えて発振することによって、定在波音場の音圧の節部が変化し、浮揚物が浮揚する位置の変化によって、異なる音場を視認することができる。
【００１２】
また、本発明は、振幅拡大器を設けた音場可視化装置を提供することも可能であり、振幅拡大器によって超音波発振器の発振した超音波の振幅を拡大して円筒型放射体に伝えることができ、出力の小さい超音波発振器を使用しても、定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができる。
また、本発明は、前記円筒型放射体の外周に前記円筒型放射体の外周面からの放射音を吸収する吸音材を設けた音場可視化装置を提供することも可能であり、円筒型放射体の外周面から放射される放射音を吸音材によって吸収することができるから、不快な放射音の放射を防ぐことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図示の実施例に基づいて説明する。
図１に示す実施例において、本発明に係る音場可視化装置は、超音波発振器１と、円筒型放射体２とからなり、該円筒型放射体２内に超音波による定在波音場を発生させ、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物１０を浮揚させて、該浮揚物１０の存在の位置及びその配列により前記定在波音場を視認可能に構成してある。
【００１４】
図１に示すように、超音波発振器１は、周波数カウンター７と、周波数調整機構８と、出力調整機機構９を備えてある。
周波数カウンター７は、発振する超音波の周波数を表示するようにしてあり、表示された周波数を音速の計算に使用することができるから、超音波発振時に周波数を常時表示するようにしてあることが好ましい。なお、周波数カウンター７は、超音波発振器１の外部装置として接続して設けることも勿論可能である。
【００１５】
周波数調整機構８は、円筒型放射体２内に特定の定在波音場を形成する特定の振動モードにおける周波数の微調整をすることができると共に、複数の周波数帯の超音波を発振することができるようにしてあり、発振周波数帯を切り替えることによって、複数の振動モードを生成することができるように構成してある。
出力調整機構９は、発振する超音波の出力を調整することができるようにしてあり、浮揚物１０を浮揚させることができる強さの定在波音場を生成することができる。
【００１６】
また、超音波発振器１は、時間と共に変化する超音波振動系の共振周波数に合わせて、発振周波数を変化させることができる追尾機能を備えてあることが好ましい。これにより、浮揚物１０を浮揚させる安定した定在波音場を形成することができる。
なお、超音波発振器１は、特定の発振周波数帯の超音波を発振して、特定の振動モードを形成できるものであればよい。図示の実施例では、少なくとも２８ｋＨｚの周波数帯の超音波を発信することができるようにしてある。
【００１７】
図１に示すように、円筒型放射体２は、超音波を放射することができる弾性体からなり、図示の実施例では、ジュラルミンにより円筒型に構成してある。超音波放射体を円筒型に構成したことにより、超音波による定在波音場が該円筒内に生成され、３次元方向に広がりを有する音場を形成することができる。
実施例の場合、円筒型放射体２は、円筒の高さを１００ｍｍ、内径を１５０ｍｍに設けてあり、２８ｋＨｚの周波数帯の超音波によって、図２又は図３に示すように、高さ方向及び円周方向に高次の振動モードが同時に存在するように構成してある。
【００１８】
なお、円筒型放射体２は、実施例の寸法に限定されず、他の振動モードが存在するように構成することも可能であるが、直径を６０ｍｍ〜３００ｍｍに設けると共に、円筒長を４０ｍｍ以上に設けることが好ましい。
円筒型放射体２の直径を６０ｍｍ〜３００ｍｍに設けることにより、出力が小さく安価な超音波発信器を使用しても浮揚物を音圧の節の部分に集めて浮揚させることができると共に、円筒長を４０ｍｍ以上に設けることにより、２８ｋＨｚの周波数帯の超音波によって円筒型放射体２の高さ方向にも振動の節部が２つ以上形成され、浮揚物１０を安定して浮揚させることができる。
【００１９】
また、円筒型放射体２には、外周面の高さ方向の中心に振幅拡大器４を介して超音波振動子３を取り付けてあり、超音波により振動を生じる超音波振動系５を構成してある。
図示の実施例において、超音波振動子３は、２８ｋＨｚ用の振動子を使用し、超音波発振器１により発振された超音波がケーブル１１により伝達され、縦振動を生じるようにしてある。
【００２０】
振幅拡大器４は、断面積に反比例して振動の振幅を拡大することができるようにしてあり、図示の実施例では、円筒型放射体２側の断面積を超音波振動子３側の断面積の１／５に設け、振幅を５倍にすることができるように構成してある。なお、超音波発振器１により充分な出力の超音波を発振することができれば、振幅拡大器４を設ける必要はなく、超音波振動子３を直接円筒型放射体２に接続することも可能である。
【００２１】
浮揚物１０は、発砲スチロール、コルク等の軽量物の小片からなる。
また、図示しないが、円筒型放射体２の開口部１２の一方又は両側に噴霧装置を設け、円筒型放射体２内の定在波音場に霧を導入することにより、該霧や凝集した液滴を浮揚物１０として浮揚させることもできる。
【００２２】
図１の実施例において、６は、超音波振動系５を固定するスタンドである。
スタンド６は、超音波振動子３を回転可能に固定してあり、円筒型放射体２の向きを水平方向又は垂直方向に容易に変更することができ、円筒型放射体２内に発生した定在波音場を容易に観察することができるようにすることができる。
なお、スタンド６は、定在波音場の観察を容易にするものであり、音場可視化装置の必須の構成要素ではない。
【００２３】
次に、本発明に係る音場可視化装置の作用について説明する。
図１乃至図４に示す実施例において、共振周波数である２８ｋＨｚの超音波を超音波発信機１より発振すると、超音波振動子３に縦振動が発生し、振幅拡大器４によって振幅が拡大された縦振動が、円筒型放射体２に伝達される。
そして、円筒型放射体２にたわみ振動が起こり、円筒の高さ方向と円周方向に複数の振動の腹部と節部が交互に形成される。
【００２４】
図２又は図３に示すように、円筒型放射体２の円周方向には、９モードの高次の振動モードが存在し、１８個の振動の腹部が発生する。一方、円筒型放射体２の高さ方向には、２モードの高次の振動モードが存在し、５個の振動の腹部が発生する。これらの振動の腹部は、円筒型放射体２の内側の空間に超音波を放射する音源となる。
【００２５】
その後、円筒型放射体２の内側に放射された超音波は、各々干渉した結果、円筒型放射体２の内面の法線方向に音圧の節部と腹部が交互に現れる定在波音場を形成する。この場合、音圧の節部と腹部は、１波長に２つずつ存在するから、図４に示すように、音圧の節部は半波長であるλ／２毎に現れる。
そして、図２又は図３に示すように、全ての音圧の節部に浮揚物１０を浮揚させることができ、浮揚物１０の存在の位置及びその配列により定在波音場を視認することができるようになる。
その際、他の振動モードの影響を受けない共振となるように、円筒型放射体２の形状を設けてあるから、定在波音場は強く安定したものになり、安定した浮揚現象を維持することが可能となる。
なお、「音圧の節部」は、音場内の圧力の低い部分であり、空中定在波音場内の振動の最も激しく、大きい「振動の腹部」に相当する。
【００２６】
また、噴霧装置によって、定在波音場内に霧を導入することにより、図２又は図３に示すように、全ての音圧の節部に霧が凝集して液滴となって浮揚し、容易に定在波音場を視認することができる。
また、図５に示すように、発振周波数を調整し、霧を同心円状に凝集させて、音場を視認するようにすることもできる。
【００２７】
また、図４に示すように、円筒型放射体２の内面の法線方向には、浮揚物１０は半波長λ／２毎に浮揚するから、浮揚物１０の間隔を測定することにより波長λが求められ、周波数カウンター７に表示された周波数ｆにより、空気中の音速（ｖ＝ｆ・λ）を計算することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の通り、本発明に係る音場可視化方法によれば、超音波発振手段と、円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させる定在波音場生成手段により、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させて、前記定在波音場を視認可能にした構成を有することにより、定在波音場生成手段によって円筒型放射体内に超音波の定在波音場が生成され、定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができるから、浮揚物の存在の位置及びその配列により音場を空間的に直接視認することができる。そして、目に見えない空中定在波の理論説明において、空中定在波音場内の振動の最も激しく、大きい「振動の腹部」は、圧力の低い「音圧の節部」でもあるという理解し難い現象も、浮揚物が激しく振動しながら音圧の低い場所で浮揚する現象を視認することで理解することができるという効果がある。また、円筒型放射体は両端が開放されているから、円筒型放射体内に手を入れて音場の存在を体感することができる効果がある。
【００２９】
また、本発明は、請求項１に記載の音場可視化方法において、前記円筒型放射体の高さ方向に振動の節部が２つ以上存在するようにした構成を有することにより、円筒型放射体の高さ方向にも振動の節部が２つ以上形成されるから、浮揚物の安定した浮揚を維持することができると共に、円筒型放射体内に立体的に定在波音場が分布している状態を視認することができる効果がある。
【００３０】
また、本発明は、請求項１又は２に記載の音場可視化方法において、前記定在波音場内に霧を導入する噴霧手段を有することにより、定在波音場内に導入された霧は定在波音場の全ての音圧の節部に凝集し、渦又は液滴の状態になって浮揚するから、容易に定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができる効果がある。
【００３１】
また、本発明に係る音場可視化装置によれば、超音波発振器と、円筒型放射体とからなり、該円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させ、該定在波音場の音圧の節部に浮揚物を浮揚させて、前記定在波音場を視認可能にした構成を有することにより、円筒型放射体内に超音波の定在波音場が発生し、定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができるから、浮揚物の存在の位置及びその配列により音場を空間的に直接視認することができる。また、円筒型放射体は両端が開放されているから、円筒型放射体内に手を入れて音場の存在を体感することができる効果がある。
【００３２】
また、本発明は、請求項４に記載の音場可視化装置において、前記円筒型放射体の高さ方向に振動の節部が２つ以上存在するようにした構成を有することにより、円筒型放射体の高さ方向にも振動の節部が２つ以上形成されるから、浮揚物の安定した浮揚を維持することができると共に、円筒型放射体内に立体的に定在波音場が分布している状態を視認することができる効果がある。
【００３３】
また、本発明は、請求項４又は５に記載の音場可視化装置において、前記円筒型放射体の直径を６０ｍｍ〜３００ｍｍに設けると共に、円筒長を４０ｍｍ以上に設けたことにより、出力が小さく安価な超音波発信器を使用しても浮揚物を音圧の節の部分に集めて浮揚させることができ、コンパクトで安価な音場可視化装置を提供することができる効果がある。
【００３４】
また、本発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の音場可視化装置において、前記定在波音場内に霧を導入する噴霧装置を設けたことにより、定在波音場内に導入された霧は定在波音場の全ての音圧の節部に凝集し、渦又は液滴の状態になって浮揚するから、容易に定在波音場の全ての音圧の節部に浮揚物を浮揚させることができる効果がある。
【００３５】
また、本発明は、請求項４乃至７のいずれかに記載の音場可視化装置において、前記超音波発振器が複数の周波数帯の超音波を発振するようにした構成を有することにより、複数の周波数帯の超音波を切り替えて発振することによって、定在波音場の音圧の節部が変化し、浮揚物が浮揚する位置の変化によって、異なる音場を視認することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明音場可視化装置の一実施例を示す斜視図
【図２】その一実施例の要部を示す正面図
【図３】その一実施例の要部を示す断面図
【図４】その一実施例の要部を説明する正面図
【図５】他の実施例の要部を示す正面図
【符号の説明】
１　超音波発振器
２　円筒型放射体
３　超音波振動子
４　振幅拡大器
５　超音波振動系
６　スタンド
７　周波数カウンター
８　周波数調整機構
９　出力調整機構
１０　浮揚物
１１　ケーブル
１２　開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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