音響浮遊の仕組み

真空の宇宙に旅行しない限り、音は毎日あなたの周りにあります。しかし、ほとんどの場合、それを物理的な存在とは考えていないでしょう。音が聞こえます。あなたはそれらに触れません。唯一の例外は、大音量のナイトクラブ、窓がガタガタするスピーカーを搭載した車、腎臓結石を粉砕する超音波装置などです。しかし、たとえそうであっても、おそらくあなたは自分が感じているものを音そのものとしてではなく、音が他の物体に生み出す振動として考えているでしょう。

形のないものが物体を持ち上げることができるという考えは信じられないかもしれませんが、これは現実の現象です。音響浮遊は音の特性を利用して固体、液体、重ガスを浮遊させます。このプロセスは、通常の重力下または減重力下で実行できます。言い換えれば、音は地球上の物体、または宇宙のガスで満たされた筐体内にある物体を浮遊させることができます。

重力と音響浮遊

音響浮上の仕組みを理解するには、まず重力、空気、音について少し知る必要があります。まず、重力とは、物体を互いに引き付け合う力です。重力を理解する最も簡単な方法は、アイザック ニュートンの万有引力の法則を利用することです。この法則は、宇宙のすべての粒子が他のすべての粒子を引き付けると述べています。物体の質量が大きいほど、他の物体をより強く引き付けます。物体が近づくほど、それらはより強く引き合います。

地球のような巨大な物体は、木にぶら下がったリンゴのように、近くにある物体を簡単に引きつけます。科学者たちはこの引力の原因を正確には特定していませんが、この引力は宇宙のあらゆる場所に存在すると信じています。

空気浮上および音響浮上

第二に、空気は液体と本質的に同じように動作する流体です。液体と同様に、空気は相互に関連して移動する微細な粒子で構成されています。空気も水と同じように動きます。実際、空気力学テストの中には、空中ではなく水中で行われるものもあります。空気を構成する粒子と同様、気体中の粒子は液体中の粒子よりも遠く離れており、より速く移動します。

音波と音響浮遊

第三に、音は、気体、液体、固体などの媒体を通って伝わる振動です。音源とは、非常に急速に移動したり形状が変化したりするオブジェクトです。たとえば、鐘を叩くと、鐘が空中で振動します。ベルの片側が外側に移動すると、隣の空気分子が押し出され、その領域の空気の圧力が増加します。この高圧領域は圧縮領域です。

ベルの側面が内側に戻ると、分子が引き離され、希薄化と呼ばれる低圧領域が形成されます。その後、ベルはこのプロセスを繰り返し、一連の圧縮と希薄化を繰り返します。各繰り返しは音波の 1 波長です。

音波は、動く分子が周囲の分子を押したり引いたりしながら伝わります。各分子は隣の分子を順番に移動させます。この分子の動きがなければ音は伝わりません。そのため、真空では音は聞こえません。アニメーションを見て、サウンドの基本について詳しく学ぶことができます。

音響浮遊では、流体 (通常は気体) の中を伝わる音を使用して重力のバランスをとります。地球上では、これにより物体や物質が支えられずに空中に浮いてしまう可能性があります。宇宙では、物体が動いたり漂ったりしないように、物体を安定して保持できます。このプロセスは音波、特に強力な音波の特性に依存しています。

音響浮遊の物理学

基本的な音響浮遊装置には、音を発する振動面であるトランスデューサーと反射板という 2 つの主要な部分があります。多くの場合、トランスデューサーと反射板は、音を集中させるために凹面になっています。音波はトランスデューサーから遠ざかり、反射板で反射します。この進行反射波の 3 つの基本特性は、物体を空中に浮遊させるのに役立ちます。

まず、波は他の音と同様、縦方向の圧力波です。縦波では、波内の点の移動は波の進行方向と平行になります。これは、伸ばしたスリンキーの一端を押したり引いたりした場合に見られるような動きです。しかし、多くのイラストでは音を横波として描いており、これはスリンキーの一端を素早く上下に動かすと見えるものです。これは単純に、縦波よりも横波の方が視覚化しやすいためです。

第二に、波は表面で跳ね返る可能性があります。これは、入射角 (何かが表面に当たる角度) が反射角 (表面から離れる角度) に等しいという反射の法則に従います。言い換えれば、音波は表面に当たる角度と同じ角度で表面から反射します。

90度の角度で表面に正面から衝突した音波は、同じ角度で真っ直ぐに反射します。波の反射を理解する最も簡単な方法は、表面の一端に取り付けられたスリンキーを想像することです。スリンキーの自由端を持ち上げて素早く上下に動かすと、波がバネの長さ全体に伝わります。バネの固定端に到達すると、表面で反射して手前に戻ってきます。スプリングの一端を押したり引いたりすると、同じことが起こり、縦方向の波が生じます。

最後に、音波が表面で反射すると、その圧縮と希薄化の間の相互作用によって干渉が発生します。他の圧縮と一致する圧縮は相互に増幅し、希薄化と一致する圧縮は相互にバランスをとります。場合によっては、反射と干渉が組み合わさって定在波が発生することがあります。定在波は、場所から場所へと伝わるのではなく、前後に移動したり、部分的に振動したりしているように見えます。この静寂の錯覚が定常波の名前の由来です。

音響浮遊装置は定在波を生成できる

定在音波には、定義された節、つまり最小圧力の領域と腹、つまり最大圧力の領域があります。定在波のノードは音響浮上の中心です。岩や急流のある川を想像してください。川の水は穏やかな場所もあれば、激流している場所もあります。浮遊物や泡は川の穏やかな部分に集まります。川の動きの速い部分で浮遊物体が静止するためには、浮遊物体を固定するか、水の流れに逆らって推進する必要があります。これは本質的に、水の代わりにガス中を移動する音を使用する音響浮遊装置が行うことです。

トランスデューサから適切な距離に反射板を配置することにより、音響浮遊装置は定在波を生成します。波の向きが重力と平行な場合、定在波の一部には一定の下向きの圧力がかかり、他の部分には一定の上向きの圧力がかかります。ノードにはほとんど圧力がかかりません。

重力がほとんどない宇宙では、浮遊粒子は穏やかで静止している定在波の節に集まります。地球上では、物体はノードの直下に集まります。そこでは音響放射圧、つまり音波が表面に及ぼす圧力の大きさが重力のバランスをとります。

この量の圧力を供給するには、通常の音波以上のものが必要です。次のセクションでは、音響浮遊装置の音波の何が特別なのかを見ていきます。

非線形音響と音響浮遊

通常の定在波は比較的強力です。たとえば、エアダクト内の定在波により、波の節に対応するパターンで塵が溜まる可能性があります。部屋に反響する定在波は、その経路にある物体を振動させる可能性があります。低周波の定常波は、人々に緊張感や見当識障害を引き起こす可能性もあり、場合によっては、幽霊が出ると人々が報告している建物内で低周波定在波が発見されることもあります。

しかし、これらの偉業は、音響浮遊に比べれば小さなものです。塵が溜まっている場所に影響を与えたり、ガラスを粉砕したりする方が、地面から物体を持ち上げるよりもはるかに少ない労力で済みます。通常の音波は、その直線的な性質により制限されます。波の振幅を大きくすると音は大きくなりますが、波形の形状に影響を与えたり、物理的に強力になることはありません。

ただし、非常に激しい音 (人間の耳に物理的に苦痛を与える音など) は通常、非線形です。それらは、通過する物質に不釣り合いに大きな反応を引き起こす可能性があります。例としては次のようなものがあります。

非線形音響学は複雑な分野であり、これらの効果を引き起こす物理現象を理解するのが難しい場合があります。しかし一般に、非線形効果を組み合わせると、静かな音よりもはるかに強力な激しい音を作り出すことができます。波の音響放射圧が重力と釣り合うほど強くなるのは、これらの効果のためです。音響浮上の中心となるのは激しい音です。多くの浮上装置のトランスデューサーは 150デシベル (dB)を超える音を生成します。通常の会話は約 60 dB、騒々しいナイトクラブでは 110 dB 近くになります。

音は本当に物体を浮遊させることができるのでしょうか?

音で物体を浮遊させることは、高出力のトランスデューサーを反射板に向けるほど単純ではありません。科学者はまた、適切な周波数の音を使用して、目的の定在波を生成する必要があります。どの周波数でも適切な音量で非線形効果を生み出すことができますが、ほとんどのシステムでは超音波が使用されており、音の高さが高すぎて人間には聞こえません。波の周波数と量に加えて、研究者は他の多くの要素にも注意を払う必要があります。

音響浮遊装置の実用化

小さな物体を表面から数センチメートル浮かせて吊るすのは、大変な作業のように聞こえるかもしれません。小さな物体を、あるいは短距離を浮遊させることも、比較的無駄な行為のように聞こえるかもしれません。ただし、音響浮上には地上と宇宙の両方でいくつかの用途があります。以下にいくつか挙げます。

研究者は、浮上システムのための新しいセットアップや新しい の開発を続けています。