プリンキピア

第17章音

Problems問題

Exercises 63–72練習問題 63–72
Exercise 63問題 63
(a) What is the fundamental frequency of a 0.672-m-long tube, open at both ends, on a day when the speed of sound is 344 m/s? (b) What is the frequency of its second harmonic?
英語のヒント
(a)音速が344 m/sの日に、長さ0.672 mで両端が開いた管の基本振動数はいくらか。(b)第2倍音の振動数はいくらか。
Exercise 64問題 64
What is the length of a tube that has a fundamental frequency of 176 Hz and a first overtone of 352 Hz if the speed of sound is 343 m/s?
英語のヒント
基本振動数が176 Hz、第1上音が352 Hzの管の長さはいくらか。音速は343 m/sとする。
Solution解き方
0.974 m
Exercise 65問題 65
The ear canal resonates like a tube closed at one end. (See Figure 17.14.) If ear canals range in length from 1.80 to 2.60 cm in an average population, what is the range of fundamental resonant frequencies? Take air temperature to be 37.0°C, which is the same as body temperature.
英語のヒント
外耳道は、一端が閉じた管のように共鳴する(図17.14)。一般的な集団で外耳道の長さが1.80〜2.60 cmの範囲にあるなら、基本共鳴振動数はどの範囲になるか。空気の温度は体温と同じ37.0°Cとする。
Exercise 66問題 66
Calculate the first overtone in an ear canal, which resonates like a 2.40-cm-long tube closed at one end, by taking air temperature to be 37.0°C. Is the ear particularly sensitive to such a frequency? (The resonances of the ear canal are complicated by its nonuniform shape, which we shall ignore.)
英語のヒント
長さ2.40 cmで一端が閉じた管のように共鳴する外耳道について、空気の温度を37.0°Cとして第1上音を計算せよ。耳はこの振動数に特に敏感か。(外耳道の形は一様ではなく、そのため共鳴は複雑になるが、ここではそれを無視する。)
Solution解き方
11.0 kHz; The ear is not particularly sensitive to this frequency, so we don’t hear overtones due to the ear canal.
英語のヒント
11.0 kHz。耳はこの振動数には特に敏感ではないので、外耳道による上音は聞こえない。
Exercise 67問題 67
A crude approximation of voice production is to consider the breathing passages and mouth to be a resonating tube closed at one end. (a) What is the fundamental frequency if the tube is 0.240 m long, by taking air temperature to be 37.0°C? (b) What would this frequency become if the person replaced the air with helium? Assume the same temperature dependence for helium as for air.
英語のヒント
声の発生を大まかに近似する方法は、気道と口を、一端を閉じた共鳴管と考えることである。(a)管の長さを0.240 m、空気の温度を37.0°Cとすると、基本振動数はいくらか。(b)空気をヘリウムに置き換えた場合、この振動数はいくらになるか。ヘリウムの温度依存性は空気と同じとする。
Exercise 68問題 68
A 4.0-m-long pipe, open at one end and closed at one end, is in a room where the temperature is T=22°C. A speaker capable of producing variable frequencies is placed at the open end and is used to cause the tube to resonate. (a) What is the wavelength and the frequency of the fundamental frequency? (b) What is the frequency and wavelength of the first overtone?
英語のヒント
長さ4.0 mで一端が開き他端が閉じた管が、温度T=22°Cの部屋にある。振動数を変えられるスピーカーを開口端に置き、管を共鳴させる。(a)基本振動の波長と振動数はいくらか。(b)第1上音の振動数と波長はいくらか。
Solution解き方
a. v=344.08m/s,λ1=16.00m,f1=21.51Hz;
b. λ3=5.33m,f3=64.56Hz
a. v=344.08m/s,λ1=16.00m,f1=21.51Hz;。b. λ3=5.33m,f3=64.56Hz。
Exercise 69問題 69
A 4.0-m-long pipe, open at both ends, is placed in a room where the temperature isT=25°C. A speaker capable of producing variable frequencies is placed at the open end and is used to cause the tube to resonate. (a) What are the wavelength and the frequency of the fundamental frequency? (b) What are the frequency and wavelength of the first overtone?
英語のヒント
長さ4.0 mで両端が開いた管を、温度T=25°Cの部屋に置く。振動数を変えられるスピーカーを開口端に置き、管を共鳴させる。(a)基本振動の波長と振動数はいくらか。(b)第1上音の振動数と波長はいくらか。
Exercise 70問題 70
A nylon guitar string is fixed between two lab posts 2.00 m apart. The string has a linear mass density of μ=7.20g/m and is placed under a tension of 160.00 N. The string is placed next to a tube, open at both ends, of length L. The string is plucked and resonates at the fundamental frequency while the tube resonates at the n=3 mode. The speed of sound is 343 m/s. What is the length of the tube?
英語のヒント
ナイロン製のギター弦を、2.00 m離れた二つの実験用支柱の間に固定する。弦の線密度はμ=7.20g/mで、160.00 Nの張力をかける。弦の隣には、長さLで両端が開いた管を置く。弦をはじくと基本振動数で共鳴し、管はn=3のモードで共鳴する。音速は343 m/sである。管の長さはいくらか。
Solution解き方
vstring=149.07m/s,λ1=4.00m,f1=37.3Hzλ1=vf1,L=13.8m
v弦=149.07m/s,λ1=4.00m,f1=37.3Hzλ1=vf1,L=13.8m
Exercise 71問題 71
A 512-Hz tuning fork is struck and placed next to a tube with a movable piston, creating a tube with a variable length. The piston is slid down the pipe and resonance is reached when the piston is 115.50 cm from the open end. The next resonance is reached when the piston is 82.50 cm from the open end. (a) What is the speed of sound in the tube? (b) How far from the open end will the piston cause the next mode of resonance?
英語のヒント
512 Hzの音叉をたたき、可動ピストンを備えた管の隣に置く。ピストンによって管の長さを変えられる。ピストンを管に沿って滑らせると、開口端から115.50 cmの位置で共鳴する。次の共鳴は、開口端から82.50 cmの位置で起こる。(a)管内の音速はいくらか。(b)次の共鳴モードを生むピストンの位置は、開口端からどれだけ離れているか。
Exercise 72問題 72
Students in a physics lab are asked to find the length of an air column. They obtain a long tube that is closed at one end that has a fundamental frequency of 256 Hz. They hold the tube vertically and fill it with water to the top, then lower the water while a 256-Hz tuning fork is rung and listen for the first resonance. (a) What is the air temperature if the resonance occurs for a length of 0.336 m? (b) At what length will they observe the second resonance (first overtone)?
英語のヒント
物理実験で学生が気柱の長さを求めるよう指示された。学生は、基本振動数が256 Hzで一端が閉じた長い管を用意する。管を鉛直に持ち、上端まで水を満たす。その後、256 Hzの音叉を鳴らしながら水面を下げ、最初の共鳴を聞き取る。(a)長さ0.336 mで共鳴が起こる場合、空気の温度はいくらか。(b)2番目の共鳴(第1上音)は、どの長さで観測されるか。
Solution解き方
a. 22.0°C; b. 1.01 m
a. 22.0°C。b. 1.01 m。
fundamental
基本振動
the lowest-frequency resonance
英語のヒント
最も低い振動数の共鳴。
harmonics
倍音
the term used to refer collectively to the fundamental and its overtones
英語のヒント
基本振動とその上音をまとめて指す用語。
overtones
上音
all resonant frequencies higher than the fundamental
英語のヒント
基本振動数より高いすべての共鳴振動数。