サウンド – Bartosz Ciechanowski

サウンド Bartosz Ciechanowski アーカイブ Patreon X / Twitter Instagram e-mail RSS 2022年10月18日 サウンド 目に見えず、絶え間なく存在する音は、美しい音楽や不快な騒音を運ぶために私たちの周りを旅しているように見えます。この記事では、音とは何か、どのように生成され、伝播するのかを説明します。このプレゼンテーション全体を通して、あなたは様々な音を聞くことになります。下の小さなキーボードで自分で演奏することも多いでしょう。マウスでキーをクリックするか、コンピューターのキーボードのWERキーを使用できますが、その前にシステムの音量が適切なレベルにあることを確認してください。 指でキーを押すこともできますが、その前にシステムの音量が適切なレベルにあることを確認してください。デバイスのミュートを解除する必要がある場合もあります。 最終的には、これらの音がどのように生成され、耳に届くのかを理解しますが、まずは音と最も一般的に関連付けられている媒体、つまり空気について話すことから始めなければなりません。 空気 おそらく、空気は微視的なレベルでは個々の小さな粒子で構成されていることをご存知でしょう。これらの分子の振る舞いを間近で見てみましょう。 以下のデモンストレーションでは、空気の小さな立方体を切り出しました。分子がこの空間に自由に出入りする様子に注目してください。立方体をドラッグして視点を変えたり、スライダーで時間の流れの速度を制御したりできます。 この可視化は物事を少し単純化していることを指摘する必要があります。空気は主に窒素と酸素で構成されています。これらの粒子の原子は2つ結合していますが、単純化のためにすべての分子を単純な球として描いています。空気の各粒子は、ある速度で、多かれ少なかれランダムな方向に空間を移動します。一部の分子は速く、一部は遅いですが、室温では粒子の平均速度は驚異的な毎秒460メートル（1510フィート/秒）です。粒子を可視化するために、その動きを大幅に遅くして表示しています。ちなみに、ここではインペリアル単位とメートル法単位を使用していますが、必要に応じてメートル法からインペリアル単位に切り替えることができます。 前のシミュレーションのすべての騒ぎの中で、空気の粒子がお互いに衝突していることに気づきにくかったかもしれません。以下のデモンストレーションでは、粒子が衝突した直後に赤く点滅させ、少し大きくしています。これらのイベントを見やすくするために、スライダーで時間の速度を制御できます。 当然ながら、これらの粒子は環境内の他のものとも衝突する可能性があります。以下のシミュレーションでは、空気のその区画の周りに壁を設置しました。このスケールでは、箱の壁を構成する個々の原子も見ることができますが、物事をより明確にするためにここでは表示していません。空気の粒子はこれらの側面に跳ね返り、そのたびに壁に小さな青い光を当てています。 空気の粒子が跳ね返ると、壁に小さな力を伝達します。単一の衝突はそれほど大きな影響を与えませんが、十分な粒子が存在すると、壁は絶え間ない衝突の砲撃を受け、容器に膨張圧を加えます。その圧力の大きさは、すべての衝撃力の合計を箱の面積で割ったものです。直感的に、固定サイズの箱では、粒子の数が多いほど、重いほど、速く動くほど、圧力は高くなります。粒子数を一定に保ったまま、この箱のサイズを少し変更した場合に何が起こるか見てみましょう。 以下のデモンストレーションでは、スライダーをドラッグして箱の長さを変更できます。下のプロットは、単位時間あたりの箱の面積あたりの衝突数を追跡します。 面積あたりの衝突数、したがって圧力は、粒子をより近くに押し込めると増加し、緩めると減少します。ここで観察しているのは大幅に遅くされたシミュレーションであることを覚えておいてください。ここで関与する速度のため、箱のサイズを変更できるのは限られたペースでのみです。その制限により、壁が非常に高速で移動して、真に極端な圧力条件を作り出すことがなくなります。 すぐに明らかではないかもしれませんが、圧力の経験は、私たちが構築した箱の壁に限定されません。開いた気体領域の分子も、隣接領域の分子との衝突によって加えられる圧縮力にさらされます。これらの衝突は空間的にそれほどきれいに整列していませんが、集計すると、粒子が壁に跳ね返るか、隣接領域の粒子に跳ね返るかは関係ありません。圧力は依然として存在します。 粒子間のすべての衝突には他の結果もありますが、それらを見るためには、私たちが観察するスケールを調整する必要があります。これは下のスライダーで行うことができます。 前のデモンストレーションの小さな空気の立方体は、今やより大きな体積の一部にすぎません。この大きな立方体は各次元で20倍大きいですが、その辺の長さはわずか1マイクロメートルです。これはクモの糸の幅の数倍の小ささです。残念ながら、この領域で見られる2600万個を超える空気粒子をすべて表示するのは混沌としており、正しくシミュレートするには負荷が高すぎます。代わりに、この空間を移動する単一分子の動きのみを可視化します。 以下のデモンストレーションでは、その粒子を拡大して見えるようにしました。スライダーで時間の流れを制御することもできます。 他の分子との衝突のため、この粒子がかなりの距離を移動してこの大きな体積から出るまでには時間がかかる場合があります。あなたもおそらく自分で経験したことがあるでしょう。部屋の遠くで誰かが香水をスプレーすると、その香りはすぐにあなたに届きません。幸運な芳香族粒子があなたの鼻の近くに跳ね返ってきて初めて、あなたはその匂いを体験できます。他の分子との衝突がなければ、それらの芳香族粒子は瞬時にあなたの鼻までの距離を移動できたでしょう。 重要な点は、空気の粒子は非常に速く動きますが、他の粒子との衝突により、それらは主に局所的な領域内に閉じ込められています。より長い期間で見れば、それらは最終的にすべて混ざり合いますが、ここで興味を持つ短い時間枠では、各適度なサイズの空気の区画は、ほとんど同じ粒子を含んでいます。 私たちが観察した個々の粒子のすべての微視的な振る舞いは、より大きなスケールでの空気の特性に貢献します。ここから、個々の分子を見ることから離れ、代わりに私たちが慣れているサイズにより近い空気の領域に焦点を移します。それらの粒子はまだそこにあり、実際に気体の変化を分散させているものですが、より識別可能な動きを得るためには、膨大な数の分子を集合させる必要があります。 チューブ内の空気の一部が移動するプレートによって押されるときに、この大規模な振る舞いのいくつかを観察してみましょう。 以下のデモンストレーションでは、円形のプレートの隣の空気を個々のスライスに分割し、細い線で描画しています。これらの境界は想像上のものですが、プレートをスライダーで動かすときに、空気の異なるセクションに何が起こるかを見ることができます。 空気の個々の区画は初期位置からわずかにしか移動しませんが、プレートの動きによって引き起こされる摂動は、ある速度でそれらを伝播するように見えることに注目してください。さらに、その摂動は、プレートの動きの方向に関係なく、プレートから離れて移動します。 空気が詰まった箱のサイズを変更した実験で、利用可能なスペースが多かれ少なかれあった状況を思い出せば、ここ各スライス内で非常に似た状況が発生していることに気づくでしょう。これは、圧力の変化を目の当たりにしていることを示しています。 この状況を横から見てみましょう。これにより、圧力の変化がどのように伝播するかをより簡単に見ることができます。次のデモンストレーションでは、空気のスライスが圧縮されて圧力が上昇するときに赤く、膨張して圧力が低下するときに青く色付けしています。 プレートが右に移動すると、その近傍の空気を圧縮し、この領域の圧力を増加させます。