超音波の発生原理を教えてください。また、振動数との関係、共振の発生など。また伝わる距離とか・・・。いいかげんな質問の仕方かもしれませんが、何にも知らないので、簡単な本の紹介でもかまいません。お願いします。

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A 回答 (6件)

先にお答えになっている皆さんのおっしゃるとおり、超音波といっても、通常の音波と性質に大きな差異はありません。

指向性については、波長と密接な関係がありますが、一般的に波長が短くなるほど指向性が鋭くなる傾向があります。ただし、これは音源の形態に大きく依存する面がありますので一概には言えません。自動車のバックソナー(ソナーとはソニック+スキャナーの造語です)に使用されているようなものでは、さらに指向性を鋭くするためにホーン(メガホンのようなもの)をつけている(ホーンの形状も波長に大きく依存しますが、超音波の場合は波長が短いので、ごく小さなものでも効果があります)場合がほとんどです。

超音波の発生方法ですが、一般的に用いられているのはピエゾ素子などの圧電素子(電圧を加えると伸縮する物質に電極をつけたもので、逆に圧力を加えると電圧が発生する)に必要な周波数の電圧を掛けて発生させるのが一般的です。音のエネルギー(音に限った話ではないが)速度と振幅の積で決まりますので、周波数の高い超音波では振幅(振動板の移動距離)は極ちいさくても、その速度が速いのでエネルギーは大きく(たとえば低い音が大きなバケツでゆっくり水を運ぶのに対し、超音波はとても小さなバケツで素早く何度も水を運ぶのにたとえられます)取れます。したがって、通常のスピーカーのような磁力の作用による方法よりも、効率よく変換できるからです。

このような傾向は、音以外の波についても共通することが多く、音・超音波、という捕らえ方よりも、波・波動と考えた方が、より面白いように思えます。タイトルはちょっと忘れましたが、講談社刊行のブルーバックスシリーズ(大きな書店ならブルーバックスのコーナーがあるほど有名な科学全般にわかりやすく、面白く書かれたシリーズです。専門書ではありませんが、より深く知るための入り口としては良い本だと思います)にあったような気がします。時間がおありなら、書店で探してみてはいかがでしょう。
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この回答へのお礼

うーん。なんだか知りたかったことが満載されているようなご回答ですね。でも私の頭がついて行ってないという・・・。じっくり読みます。また本の紹介もしていただきありがとうございます。

お礼日時:2001/08/23 00:22

補足です。



>指向性があるということは、どういうことなのですか?・・・。
>えーっと、まっすぐ進むということですか?ごめんなさい。

 大体、そのように考えてよいと思います。
テレビの八木アンテナは指向性がありますので、放送局のある方へ向けなくてはなりません。少しずれるとTVの映りが良くありませんね。

>自動車のバックにセンサーに使っているとのことですが、
>とても小さなものまで検出するんですね。
>バンパー全体から発振してるのですか?
>もうちょっと教えてください。

 最近の自動車には超音波センサーがついているものもあります。バンパーのところに直径2cm位の穴があります、それが超音波センサーです。左右2個ついています。オプションでつけることもできますが、1個10万円かかると言われました。カーショップで購入すると1万円以下でできます。バックギアに入れたときに作動するように、バックライトのコードにつけるとよいでしょう。センサー自体はバンパーの中央につけるだけでよいようです。センサーから50cm、40cm、30cmの距離で音の間隔を変えてありますから、どれくらいの距離かと言うことが分かります。しゃがんでいる幼児も分かりますので、孫を巻き込むこともありません。

参考URL:http://www2.aimnet.ne.jp/kandori/e4bls70.htm
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この回答へのお礼

ありがとうございます。超音波はこんなに身近なところに使われているのですね。実験室の洗浄機器とか破砕機器といったイメージしかありませんでした。
2度にわたるご回答感謝します。

お礼日時:2001/08/23 00:20

超音波には幾つかの性質があります。

波長が短いために、指向性があります。そのために、センサーなどに使われています。小生も自動車のバックのときに、このセンサーをつけています。50cm後ろにある指の大きさ程度のポールも認識してくれます。

また、妊娠中のお母さんのお腹の中の赤ん坊も超音波で見ることができます。

また、高いエネルギーを持っていますので、超音波洗浄などに使用されています。腕時計のバンドやめがねの洗浄に威力を発揮します。

その他、自動ドアや交通取締りなどにも使われているようです。例をあげれば限がありません。

参考まで。

参考URL:http://www.matech.co.jp/html/ut.html

この回答への補足

指向性があるということは、どういうことなのですか?・・・。えーっと、まっすぐ進むということですか?ごめんなさい。自動車のバックにセンサーに使っているとのことですが、とても小さなものまで検出するんですね。バンパー全体から発振してるのですか?もうちょっと教えてください。

補足日時:2001/08/22 17:13
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こういう類のことでしたら,まずは図書館に行くなどして百科事典などご覧になることを


おすすめします.
専門家が心血を注いで書き,執筆者以外の専門家のチェックも入った
信頼できる情報が得られますよ.

○ 聞こえる聞こえないは,音の大きさや高さに対する耳の性能で決まります.

○ 人間に耳に聞こえない低い周波数の音波は「超低周波音波」(infrasonic wave)
といいます.
超音波(unltrasonic wave)は人間に耳に聞こえない高いい周波数の音波をいいます.
超低周波音波のことを超音波とはいいません.
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この回答へのお礼

そうですね。百科事典みてみます。

お礼日時:2001/08/22 17:15

 一定間隔で聞こえたり聞こえなかったりするのは、これは共鳴現象の話でしょうか?(^_^;


 共鳴とは、ある音に対して、制止している物体が突然反応し、特に何もしていないのに勝手に音を出し始める現象のことをいいます。
 このとき、共鳴した物体は必ずしも超音波を発するとは限らず、人間の耳に聞こえることもしばしあるんです。

 また、超音波の中でも周波数が可聴域に近かった場合、何かの拍子に周波数が変動し(物にぶつかるなどして)、聞こえたりすることもありえるんじゃないかと思います。

 低周波とは、「周波数」という概念を持つもの全てに適用される言葉です。光にも周波数がありますので、「この光はあの光と比べ、比較的に低周波である」という言い方をすることができます。(一般には音波にしか使いませんが)
 超音波の場合、低周波は厳密には「超低周音波」と呼びます。これは周波数が低すぎて聞こえない音です。
 それに対し音が高すぎて聞こえない音を「超高周音波」といいます。
 (ただし理科の授業中などには、単に「低周波」「高周波」と言って通じる場合が多いですけど)
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この回答へのお礼

お答えいただきましてありがとうございます。大変参考になりました。

お礼日時:2001/08/22 17:08

 超音波というのは何も特殊な物ではなく、単なる音です。


 ですので、一般の楽器からも出ていますから、たとえばギターの音にも超音波は含まれています。
 「人間の遺伝的限界によって認識できない音を超音波とする」と定義されているだけで、やっぱり音は音なんです。

 振動数は、一般には20kHz以上、20Hz以下と言われていますが、これは個人差があるので一概には言い切れません。中には25kHzの音を聞いてしまう人もいます。
 そういう人は、テレビが常に出している「ピーン」というノイズがうるさくて仕方ないそうですよ。

この回答への補足

早速ありがとうございます。超音波は何も特別ではなく音であるというお答えでとてもすっきりしました。ありがとうございます。すると超音波には一定間隔で(発信源からの距離)強くなったり、弱くなったりするとのことですが、人の聞いてる音は聞こえなくなったらそれ以上聞こえないですよね。この辺の聞こえてる音と聞こえない音(超音波)との性質の違いはなんですか?低周波っていうのは広義の超音波ですか?

補足日時:2001/08/22 11:07
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No.2です。
>直線ですが、45cmくらいのものを8枚くらい切りたいと思っています。
>また今回のみの用途です。
 となるとPカッターも難しい、もっと長ければよいのですが45mmの長さとなると面倒くさい。
 8枚ともなると超音波カッターもダメ。ちょっと端を切り落とす程度なら・・
 

 厚さが3mmある帯状のものだとして、それを切るのが簡単なのは、パイプソー( https://www.google.com/search?hl=ja&q=%E3%83%91%E3%82%A4%E3%83%97%E3%82%BD%E3%83%BC&gws_rd=ssl&tbm=isch )ですね。
 デコラ鋸( https://www.google.com/search?hl=ja&q=%E3%83%87%E3%82%B3%E3%83%A9%E9%8B%B8&gws_rd=ssl&tbm=isch )でも良いです。
 たぶん数分あれば終わる。いずれも替刃式が主流ですので、先で替え刃を交換すると簡単な金属とか木とかも使える。
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 もちろん、今後も継続して大量に切断するなら丸鋸盤とチップソーですが・・

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No.2です。
>直線ですが、45cmくらいのものを8枚くらい切りたいと思っています。
>また今回のみの用途です。
 となるとPカッターも難しい、もっと長ければよいのですが45mmの長さとなると面倒くさい。
 8枚ともなると超音波カッターもダメ。ちょっと端を切り落とす程度なら・・
 

 厚さが3mmある帯状のものだとして、それを切るのが簡単なのは、パイプソー( https://www.google.com/search?hl=ja&q=%E3%83%91%E3%82%A4%E3%83%97%E3%82%BD%E3%83%BC&gws_rd=ssl&tbm=isch )ですね。
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それをぷるぷる震わせながら触らせることで、ケーキや果実の組織に、移動しながら食い込むんです。
まさつが生じます。が、片方向に動くのではなくいったりきたりしますから、くずれることなく割れていくのです。

これは、包丁というより、のこぎり特にチェーンソーと同じことです。
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もちろんチェーンソーでケーキを切るわけにいかないのは、チェーンソーの動きは乱暴なので、やわらかい菓子生地なんかはふっとばしてしまうからですね。

ところで、ケーキですけど、もしミシン糸みたいなものをピンと張って手でぷるぷる上下にうごかしながら当てたらどうなると思いますか。
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これは本当に菓子店でやっている技です。
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まさつが生じます。が、片方向に動くのではなくいったりきたりしますから、くずれることなく割れていくのです。

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 超音波について、どの程度の知識をお持ちかわからないのですが、次のような答えはいかがでしょう。

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 ご存知かと思いますが、「音」は、空気の振動です。茶碗をたたくとその衝撃で茶碗が微妙に広がったり縮んだり振動し、その周りの空気を押したり引っ張ったりするため、押された空気は濃く(圧力が高く)、引っ張られた空気は薄く(圧力が低く)なり、そのムラが広がって耳の鼓膜に届くと、圧力の高いときは鼓膜が押され、低いときは引っ張られて振動し、その先についた神経を刺激して「ちーん」と感じます。

この濃い・薄いの振動の速さ(周波数)が、1秒に100回くらいだと「どーん」と低い音に聞こえ、1秒に10000回くらいだと「ちーん」と高い音に聞こえますが、人間の耳では1秒に20000回を超えると感じることができなく(聞こえなく)なります。これが「超音波」ですので、基本的にはただの振動・音であり、夢のように透過力が強いわけではありません。
(なお、音波である超音波は、電気と磁気の相互作用である電磁波(電波)とは周波数に係わらず無関係ですので混乱しないようにしましょう)

 空気のムラである音は、硬い壁でさえぎられますが、壁もあまり頑丈でなければ圧力に応じて微妙に変形(振動)するので、「壁の向こうの音も漏れて聞こえる」ことになります。しかし、むしろ、壁の向こうの音が「もごもご」と低く聞こえることからもわかるとおり、壁は通常、高い音ほど透過力が小さく、超音波は透過力が極めて小さいとも言えます。

 しかし、一方で、超音波は、「超音波断層撮影」として内臓の透視に使われたり、体内の結石を破壊したりするのに使われ、このために、「超音波は何でも透過する」とお考えになっているのではないでしょうか。事実、硬い壁に比べて、一般に柔らかな物は振動を通しにくい中で、水や人体が振動速度がある程度速い高い音のほうが多少は透過しやすいのは事実です。
 しかしながら、超音波が応用されやすい大きな理由は、「ビームを絞りやすい」(指向性をつけて小さな範囲に音を集中させやすい)ので、体内や地下の構造がこまかく見えやすく、結石等の目標に正確に衝撃を与えやすいことのようです。
 その他、これら応用では、大きなエネルギー(音量)を使うので、人間が聞こえるような音を使うと、うるさくてかなわない(おなかの赤ちゃんの耳にも悪い)という理由も馬鹿にはなりません。
(ついでに、極端ですが、真空では、いかなる振動も音も伝わりませんね。)

さて、ご質問の答えになっているでしょうか。
お役に立てば幸いです。

こんにちは。
 超音波について、どの程度の知識をお持ちかわからないのですが、次のような答えはいかがでしょう。

 まず、他の方も答えておられるとおり、超音波も所詮は「物の振動」・「音」であり、特に「何でも貫通する」わけではありません。

 ご存知かと思いますが、「音」は、空気の振動です。茶碗をたたくとその衝撃で茶碗が微妙に広がったり縮んだり振動し、その周りの空気を押したり引っ張ったりするため、押された空気は濃く(圧力が高く)、引っ張られた空気は薄く(圧力が低く)なり、その...続きを読む

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また、2つの並列共振回路を直列に接続した場合は、2つの反共振周波数と1つの共振周波数が得られます。
ただし、計算する場合は抵抗は無視して下さい。(抵抗を考慮すると計算が非常に複雑になります。)

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以上

Aベストアンサー

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Q空洞共振器を運動系で観測すると共振周期数は上昇するのでしょうか

100波長くらいの高次モードの細長い空洞共振器を運動系で観察したらどうなるだろうと考えてみましたがうまく理解できませんでした。

例えば1GHzで共振しているとすると波長は30cmですから空洞の長さは30メートル位になります。うんと速い運動系から観測するとローレンツ収縮によって空洞の長さは速度に応じて短くなりますが電磁波の速度は不変であり、かつ100波長共振器であるというのも共振モードの次数で記述されるため多分変わらないと思われます。こうなると波長そのものも短くならなければ共振することはできないと考えます。

これは空洞共振器の系で1GHzであると言う事実を運動系で観測すると波長が短くなり1GHz以上で共振することを表しています。つまり1周期の時間が短くなることを観測するわけです。すでにここまでで間違っているのかも知れませんが、固有系で1ナノ秒の周期がさらに短く見えるわけです。

よく相対論でロケットに固定した時計は地上で観察するとゆっくり進むと言われていますが、どうもこの現象と逆の現象が起こっているように感じます。1000ナノ秒の寿命を持つ微生物が空洞の中ではロケット内部の人間の寿命が延びるのとは異なり、1000ナノ秒より短命になることを意味してはいないでしょうか。考え方のミスをしているところをお教えください。よろしくお願いします。

100波長くらいの高次モードの細長い空洞共振器を運動系で観察したらどうなるだろうと考えてみましたがうまく理解できませんでした。

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#1で書いたように,あくまで長さというのは,「同時刻」の2点間の距離です.
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相対性理論では,長さと時間の関係は,ローレンツ変換によって規定されています.

>電磁波の波長が短くなるというのは正しいのでしょうか。
正しいです.ただし,波長というのは,ある瞬間の定在波の周期的な長さのことで,(光速)×(1周期の時間) とは等しくありません.

>このことは共振周波数があがるということと同じですか。
違います.共振周波数はローレンツ変換によって遅くなります.


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