応用問題310 音の干渉

設問(1) 波長の計算

直感的理解
2つのスピーカーから同位相の音が出ているとき、ある点で音が強めあうか弱めあうかは、その点までの2つの音源からの「経路差」(道のりの差)が波長の整数倍か半整数倍かで決まります。波面の広がりを見ると、波の山と山が重なる場所(強めあい)と山と谷が重なる場所(弱めあい)が交互に現れます。

設定:$f = 1.7 \times 10^2$ Hz、$V = 3.4 \times 10^2$ m/s。

波長の公式:$\lambda = V / f$ に数値を代入します:

$$\lambda = \frac{V}{f} = \frac{3.4 \times 10^2}{1.7 \times 10^2} = \frac{340}{170} = 2.0 \text{ m}$$
答え:
$$\lambda = 2.0 \text{ m}$$
Point

$\lambda = \dfrac{V}{f}$:音の速さを振動数で割れば波長が求まる。

設問(2) 点Aの判定

直感的理解
点Aは $\text{S}_1$, $\text{S}_2$ の中点の真上にあるため、$\text{S}_1$A $= \text{S}_2$A です。つまり経路差は0で、$0 = 0 \times \lambda$ ですから強めあいです。

判定:点Aは $\text{S}_1\text{S}_2$ の垂直二等分線上にあるので

$$|\text{S}_1\text{A} - \text{S}_2\text{A}| = 0 = 0 \times \lambda$$

経路差が波長の整数倍($m = 0$)なので、強めあう点です。

答え:強めあう点
Point

2つの波源の垂直二等分線上は常に経路差 = 0で強めあう(同位相の場合)。

設問(3) 点Bの判定

直感的理解
点Bは $\text{S}_2$ の真上にあるので、$\text{S}_2\text{B} = 4.0$ m。$\text{S}_1\text{B}$ は三平方の定理で計算できます。経路差が半波長の奇数倍なら弱めあいです。

$\text{S}_1\text{B}$ を三平方の定理で求めます:

$\text{S}_2\text{B} = 4.0$ m($\text{S}_2$ の真上)。$\text{S}_1\text{B}$ は $\text{S}_1\text{S}_2 = 3.0$ m, $\text{S}_2\text{B} = 4.0$ m の直角三角形から:

$$\text{S}_1\text{B} = \sqrt{3.0^2 + 4.0^2} = \sqrt{9.0 + 16.0} = \sqrt{25.0} = 5.0 \text{ m}$$

経路差:

$$|\text{S}_1\text{B} - \text{S}_2\text{B}| = |5.0 - 4.0| = 1.0 \text{ m} = \frac{\lambda}{2} = \frac{2.0}{2}$$

経路差が半波長の奇数倍($m = 0$, $(m + \frac{1}{2})\lambda = 1.0$)なので、弱めあう点です。

答え:弱めあう点
補足:波の独立性と重ね合わせの原理

2つの波が出会っても互いに影響を及ぼしません(波の独立性)。重なっている部分では変位の和が合成波の変位になります。

Point

音の干渉:経路差 $= m\lambda$ → 強め経路差 $= (m+\frac{1}{2})\lambda$ → 弱め。三平方の定理で距離を正確に求めること。