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【初級】ブロックを並べて音を効率よく伝える!?

2018/07/10

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今回紹介する研究は音についての研究です。みなさんが普段から接している音という身近な現象にもわかっていないことがまだまだあります。今回はその中でも音を効率よく伝えることに注目しましょう。ある簡単な工夫をすることで効率よく音を伝える通路を作れるようになるというのです。いったいどんな工夫なのでしょうか? 博士に教えてもらいましょう。

今日は音に関する研究について紹介するぞ。君は音がどうやって伝わるか知っているかい?


空気が振動することで伝わるんだっけ?


正解じゃ。では音を遠くまで届けるにはどうしたら良いかわかるかの? 「大きな声を出す」は無しじゃぞ。


うーん……,メガホンを使うとか?


それも一つの案じゃの。メガホンが遠くまで音を届けることができる理由の一つには指向性という特徴があるんじゃ。我々が普通に声を出しただけでは音はあちらこちらに飛んでいってしまう。しかしメガホンを使うことである程度音の進む方向を限定することができる。音が色々な方向に逃げないので遠くまで聞こえるのじゃ。


そうなんだね! 今回紹介してくれる研究もメガホンと関係があるの?


メガホンは使っとらんが音に指向性を持たせるという意味では少し似ているのう。この研究では特定の高さの音だけを効率よく伝える森を作ることに成功したんじゃ。


森? どういうことだろう?


森と言っても実験で実際に作ったのはプラスチックの棒を規則的に並べたモノじゃがな。まず断面が三角形の木を規則的に並べた森を想像してくれ。この森は全ての高さの音を通す。しかしこのままでは音が色々な方向に散らばってしまう。まるで道しるべがないと森の中で迷ってしまう我々のようにな。


triangle_3D_normal01_ver02_easy
triangle_ver02_easy

灰色の六角形はなに?


この六角形の真ん中に木を配置するとすき間なく土地を埋めることができるんじゃ。木を置く場所をわかりやすくするために描いているだけで,特別な材料を使ってるわけではないのであまり気にしないでくれ。
次にこの森の木を少しだけ反時計回りに回転させる。するとある高さの音―今は具体的にミの音としよう―はこの森を通れなくなるんじゃ。いわばミの音に対して立入禁止の看板を立てるのじゃ。


triangle_left_ver02_hard

なんで木を回転させるとミの音は通れなくなるの? 不思議だなあ。


それについては少し後で説明させてくれ。今度は森の木を少しだけ時計回りに回転させてやろう。さっきと同じだけ回転させるとこれもまたミの音を通さなくなる。


triangle_left_ver02_easy

回転の向きを変えても同じことが起こるんだね。


我々の耳で聞く分には同じじゃな。


どういうこと? どっちもミの音が通らなくなるんでしょ?


これを理解するには実際にこの森で音がどう伝わっているのか知る必要がある。下の図を用いて説明していくぞ。この森では左回りの渦を巻きながら伝わる音(赤)と右回りの渦を巻きながら伝わる音(青)が存在する。これらの音はそれぞれ黒の実線で示したレ・ミ・ファの高さを持っており,ミの音でちょうど同じような形になる(図中央の2つの渦)。木を回転させると左回りと右回りの渦が対称でなくなる。結果として今まで同じ高さだった2つの音は高いファの音と低いレの音に移動してしまうのじゃ。このとき,木を時計回りに回すか反時計回りに回すかで,どちらの渦の音が高くなるかが反対になるのじゃ。


sound_vortex_ver04_easy

僕たちの耳で聞くと同じことが起こってるように思えるけど森のなかでは反対のことが起こってたんだね。


最後に2つの森を隣接させる。すると驚くべきことに2つの森の境界に沿って今まで遮断されていた音が伝わるようになるんじゃ! きちんと立入禁止の看板を立てておくことで森の境界に道ができたわけじゃな。


EdgeMode_ver01_easy

へー!すごいね! ……でもわざわざ2種類の森を用意しなくたって1種類の立入禁止の森を作って音を通したいところだけ木を伐れば良いんじゃないの?


鋭い質問じゃの。確かに今まではそのやり方で音の通路を作ってたんじゃ。しかしこれでは効率良く音を伝えることができない。例えばジグザグの通路を作ったとする。1種類の森に木を伐って作った通路では音が反射して戻ってきたり森の中に逃げてしまったりするんじゃ。森が1種類しかないから曲がり角で自分がどっちに進んでいたかわからなくなるんじゃよ。一方2種類の森で作った通路では音が反射することなく一方向に効率良く伝えることができるんじゃ。左右で違う種類の森があるから自分の来た方向を見失わないんじゃ。


triangle_waveguide_topological_ver03
triangle_waveguide_topological_ver04

2種類の森を用意することが音を効率良く伝えるポイントなんだね!


うむ。いつの日かもっと音を自由に操れる世界が来るかもしれないのう。


-Topological Sonic Crystal, 初級

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