気柱の共鳴:縦波の定在波(閉管・開管)

【腹と節の物理】縦波では、変位の腹の粒子は大きく振動しますが両隣の粒子とほぼ同じ向きに動くので密度(圧力)はほとんど変わらず、変位の腹=圧力の節になります。逆に変位の節の粒子は動きませんが、両側の粒子が押し寄せたり離れたりするので疎密が最も激しく、変位の節=圧力の腹です。閉端では空気が壁を通れないので変位0(変位の節)、開端では外の大気圧に固定され圧力変化0(変位の腹)になります。そのため閉管は L=(2n−1)λ/4、すなわち f=(2n−1)v/4L の奇数倍音だけが、開管は L=nλ/2、f=nv/2L の整数倍音すべてが共鳴します。このシミュレータでは左端のスピーカーから入射波(x=A·sin(2πft−kx))を送り、右端で反射した反射波と重ね合わせています(v=340 m/s、開口端補正は無視、左端で毎往復わずかに損失)。共鳴からずれると往復ごとの波の位相がそろわず振幅が小さくなり、左端の境界条件も満たさない部分的な定在波になります。表示の振動は実際の周波数より大幅にスローにしています。