プリンキピア

第17章音

Additional Problems追加問題

Exercises 129–138練習問題 129–138
Exercise 129問題 129
A 0.80-m-long tube is opened at both ends. The air temperature is 26°C. The air in the tube is oscillated using a speaker attached to a signal generator. What are the wavelengths and frequencies of first two modes of sound waves that resonate in the tube?
英語のヒント
長さ0.80 mの管の両端を開く。気温は26°Cである。信号発生器につないだスピーカーで管内の空気を振動させる。管内で共鳴する音波の最初の二つのモードの、波長と振動数はいくらか。
Solution解き方
vs=346.40m/s;
λn=2nLfn=vsλnλ1=1.60mf1=216.50Hzλ2=0.80mf1=433.00Hz
Exercise 130問題 130
A tube filled with water has a valve at the bottom to allow the water to flow out of the tube. As the water is emptied from the tube, the length L of the air column changes. A 1024-Hz tuning fork is placed at the opening of the tube. Water is removed from the tube until the n=5 mode of a sound wave resonates. What is the length of the air column if the temperature of the air in the room is 18°C?
英語のヒント
水で満たした管の底に、水を流し出すための弁がある。管から水を抜くと、気柱の長さLが変わる。開口部へ1024 Hzの音叉を置き、n=5のモードの音波が共鳴するまで水を抜く。室内の気温が18°Cのとき、気柱の長さはいくらか。
水で満たした管の開口部の上に音叉を置く。管から水を抜いて、上に長さLの空間を作る。

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Exercise 131問題 131
Consider the following figure. The length of the string between the string vibrator and the pulley is L=1.00m. The linear density of the string is μ=0.006kg/m. The string vibrator can oscillate at any frequency. The hanging mass is 2.00 kg. (a)What are the wavelength and frequency of n=6 mode? (b) The string oscillates the air around the string. What is the wavelength of the sound if the speed of the sound is vs=343.00m/s?
英語のヒント
次の図を考える。弦振動器と滑車の間の糸の長さはL=1.00m、線密度はμ=0.006kg/mである。振動器は任意の振動数で振動でき、つるした質量は2.00 kgである。(a) n=6のモードの波長と振動数はいくらか。(b) 糸は周囲の空気を振動させる。音速vs=343.00m/sのとき、音の波長はいくらか。
弦振動器から糸を、質量mのおもりをつるした摩擦のない滑車へ渡す。振動器から滑車までの糸の長さはLである。

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Solution解き方
a. λ6=0.40mv=57.15msf6=142.89Hz; b. λs=2.40m
a. λ6=0.40mv=57.15msf6=142.89Hz b. λs=2.40m
Exercise 132問題 132
Early Doppler shift experiments were conducted using a band playing music on a train. A trumpet player on a moving railroad flatcar plays a 320-Hz note. The sound waves heard by a stationary observer on a train platform hears a frequency of 350 Hz. What is the flatcar’s speed in mph? The temperature of the air is TC=22°C.
英語のヒント
初期のドップラーシフトの実験では、列車上で演奏する楽団を使った。走行する鉄道の無蓋車でトランペット奏者が320 Hzを演奏すると、駅のホームに静止した観測者には350 Hzが聞こえる。無蓋車の速さは何mphか。気温はTC=22°Cとする。
Exercise 133問題 133
Two cars move toward one another, both sounding their horns (fs=800Hz). Car A is moving at 65 mph and Car B is at 75 mph. What is the beat frequency heard by each driver? The air temperature is TC=22.00°C.
英語のヒント
2台の車が互いへ向かって進み、どちらも警笛(fs=800Hz)を鳴らす。車Aは65 mph、車Bは75 mphで走る。それぞれの運転者に聞こえるうなりの振動数はいくらか。気温はTC=22.00°Cである。
Solution解き方
v=344.08msvA=29.05ms,vB=33.52m/sfA=961.18Hz,fB=958.89HzfA,beat=161.18Hz,fB,beat=158.89Hz
v=344.08msvA=29.05ms,vB=33.52m/sfA=961.18Hz,fB=958.89HzfA,うなり=161.18Hz,fB,うなり=158.89Hz
Exercise 134問題 134
Student A runs after Student B. Student A carries a tuning fork ringing at 1024 Hz, and student B carries a tuning fork ringing at 1000 Hz. Student A is running at a speed of vA=5.00m/s and Student B is running at vB=6.00m/s. What is the beat frequency heard by each student? The speed of sound is v=343.00m/s.
英語のヒント
学生Aが学生Bを追って走る。Aは1024 Hz、Bは1000 Hzで鳴る音叉を持つ。Aの速さはvA=5.00m/s、Bの速さはvB=6.00m/sである。それぞれに聞こえるうなりの振動数はいくらか。音速はv=343.00m/sである。
Exercise 135問題 135
Suppose that the sound level from a source is 75 dB and then drops to 52 dB, with a frequency of 600 Hz. Determine the (a) initial and (b) final sound intensities and the (c) initial and (d) final sound wave amplitudes. The air temperature is TC=24.00°C and the air density is ρ=1.184kg/m3.
英語のヒント
振動数600 Hzの音源の音のレベルが、75 dBから52 dBへ下がる。(a) 初めと(b) 終わりの音の強度、(c) 初めと(d) 終わりの音波の振幅を求めよ。気温はTC=24.00°C、空気密度はρ=1.184kg/m3である。
Solution解き方
v=345.24ms; a. I=31.62μWm2; b. I=0.16μWm2; c. smax=104.39μm; d. smax=7.43μm
v=345.24ms。a. I=31.62μWm2 b. I=0.16μWm2 c. smax=104.39μm d. smax=7.43μm
Exercise 136問題 136
The Doppler shift for a Doppler radar is found by f=fR(1+vc1−vc), where fR is the frequency of the radar, f is the frequency observed by the radar, c is the speed of light, and v is the speed of the target. What is the beat frequency observed at the radar, assuming the speed of the target is much slower than the speed of light?
英語のヒント
ドップラーレーダーのドップラーシフトはf=fR(1+vc1−vc)で求める。ここでfRはレーダーの振動数、fはレーダーが観測する振動数、cは光速、vは標的の速さである。標的が光速よりはるかに遅いとすると、レーダーが観測するうなりの振動数はいくらか。
Exercise 137問題 137
A stationary observer hears a frequency of 1000.00 Hz as a source approaches and a frequency of 850.00 Hz as a source departs. The source moves at a constant velocity of 75 mph. What is the temperature of the air?
英語のヒント
静止した観測者には、音源が近づくと1000.00 Hz、遠ざかると850.00 Hzが聞こえる。音源は一定の速度75 mphで動く。気温はいくらか。
Solution解き方
fAfD=v+vsv−vs,(v−vs)fAfD=v+vs,v=347.39msTC=27.70°
Exercise 138問題 138
A flute plays a note with a frequency of 600 Hz. The flute can be modeled as a pipe open at both ends, where the flute player changes the length with his finger positions. What is the length of the tube if this is the fundamental frequency?
英語のヒント
フルートが600 Hzの音を出す。フルートは両端が開いた管として表せ、奏者が指の位置によってその長さを変える。この音が基本振動数なら、管の長さはいくらか。

Challenge Problems発展問題

Exercises 139–147練習問題 139–147
Exercise 139問題 139
Two sound speakers are separated by a distance d, each sounding a frequency f. An observer stands at one speaker and walks in a straight line a distance x, perpendicular to the the two speakers, until he comes to the first maximum intensity of sound. The speed of sound is v. How far is he from the speaker? Assume the distance, d, between the slits is larger than the wavelength of the sound.
英語のヒント
二つのスピーカーが距離dだけ離れ、それぞれ振動数fの音を出す。観測者は一方のスピーカーの位置から、二つのスピーカーを結ぶ線に垂直な方向へ、初めて音の強度が極大になるまで距離xをまっすぐ歩く。音速はvである。観測者はスピーカーからどれだけ離れているか。スリット間の距離dは音の波長より大きいとする。
Solution解き方
x2+d2−x=λ,x2+d2=(λ+x)2x2+d2=λ2+2xλ+x2,d2=λ2+2xλx=d2−(vf)22vf
Exercise 140問題 140
Consider the beats shown below. This is a graph of the gauge pressure versus time for the position x=0.00m. The wave moves with a speed of v=343.00m/s. (a) How many beats are there per second? (b) How many times does the wave oscillate per second? (c) Write a wave function for the gauge pressure as a function of time.
英語のヒント
下に示すうなりを考える。位置x=0.00mでのゲージ圧と時間のグラフである。波は速さv=343.00m/sで進む。(a) 1秒間にうなりは何回あるか。(b) 波は1秒間に何回振動するか。(c) ゲージ圧を時間の関数として表す波動関数を書け。
ゲージ圧をパスカル、時間を秒で示したグラフ。曲線には短い波長の振動があり、x軸の上下、−2〜+2 Paの間を動く。

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Exercise 141問題 141
Two speakers producing the same frequency of sound are a distance of d apart. Consider an arc along a circle of radius R, centered at the midpoint of the speakers, as shown below. (a) At what angles will there be maxima? (b) At what angle will there be minima?
英語のヒント
同じ振動数の音を出す二つのスピーカーが、距離dだけ離れている。下図のように、両者の中点を中心とする半径Rの円の弧を考える。(a) どの角度で極大になるか。(b) どの角度で極小になるか。
二辺がr1、2で、高さ6 mの三角形を示す。高さの線は底辺を2 mと3 mに分ける。別の図では二つのスピーカーを距離dだけ離して置き、音波が上のスピーカーからr1、下からr2の点で出会う。スピーカー間の中点から波が出会う点までの距離はRである。線Rは、スピーカーを結ぶ線に垂直な線と角度θをなす。

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Solution解き方
a. For maxima Δr=dsinθdsinθ=nλn=0,±1,±2....,θ=sin−1(nλd)n=0,±1,±2....
b. For minima, Δr=dsinθdsinθ=(n+12)λn=0,±1,±2....θ=sin−1((n+12)λd)n=0,±1,±2....
英語のヒント
a. 極大の場合はΔr=dsinθdsinθ=nλn=0,±1,±2....,θ=sin−1(nλd)n=0,±1,±2....。b. 極小の場合はΔr=dsinθdsinθ=(n+12)λn=0,±1,±2....θ=sin−1((n+12)λd)n=0,±1,±2....。
Exercise 142問題 142
A string has a length of 1.5 m, a linear mass density μ=0.008kg/m,, and a tension of 120 N. If the air temperature is T=22°C, what should the length of a pipe open at both ends for it to have the same frequency for the n=3 mode?
英語のヒント
糸の長さは1.5 m、線密度はμ=0.008kg/m、張力は120 Nである。気温T=22°Cのとき、両端が開いた管をn=3のモードで同じ振動数にするには、管の長さをいくらにすればよいか。
Exercise 143問題 143
A string (μ=0.006kgm,L=1.50m) is fixed at both ends and is under a tension of 155 N. It oscillates in the n=10 mode and produces sound. A tuning fork is ringing nearby, producing a beat frequency of 23.76 Hz. (a) What is the frequency of the sound from the string? (b) What is the frequency of the tuning fork if the tuning fork frequency is lower? (c) What should be the tension of the string for the beat frequency to be zero?
英語のヒント
糸(μ=0.006kgm,L=1.50m)の両端を固定し、張力155 Nをかける。糸はn=10のモードで振動して音を出す。近くで音叉を鳴らすと、23.76 Hzのうなりが生じる。(a) 糸が出す音の振動数はいくらか。(b) 音叉の振動数が低い場合、その値はいくらか。(c) うなりの振動数をゼロにするには、糸の張力をいくらにすればよいか。
Solution解き方
a. vstring=160.73ms,fstring=535.77Hz; b. ffork=512Hz; c. ffork=nFTμ2L,FT=141.56N
a. v糸=160.73ms,f糸=535.77Hz b. f音叉=512Hz c. f音叉=nFTμ2L,FT=141.56N
Exercise 144問題 144
A string has a linear mass density μ, a length L, and a tension of FT, and oscillates in a mode n at a frequency f. Find the ratio of Δff for a small change in tension.
英語のヒント
線密度μ、長さL、張力FTの糸が、モードn、振動数fで振動する。張力を少し変えたときの比Δffを求めよ。
Exercise 145問題 145
A string has a linear mass density μ=0.007kg/m, a length L=0.70m, a tension of FT=110N, and oscillates in a mode n=3. (a) What is the frequency of the oscillations? (b) Use the result in the preceding problem to find the change in the frequency when the tension is increased by 1.00%.
英語のヒント
線密度μ=0.007kg/m、長さL=0.70m、張力FT=110Nの糸が、モードn=3で振動する。(a) 振動数はいくらか。(b) 前の問題の結果を使い、張力を1.00%増したときの振動数の変化を求めよ。
Solution解き方
a. f=268.62Hz; b. Δf≈12ΔFTFTf=1.34Hz
a. f=268.62Hz b. Δf≈12ΔFTFTf=1.34Hz
Exercise 146問題 146
A speaker powered by a signal generator is used to study resonance in a tube. The signal generator can be adjusted from a frequency of 1000 Hz to 1800 Hz. First, a 0.75-m-long tube, open at both ends, is studied. The temperature in the room is TF=85.00°F. (a) Which normal modes of the pipe can be studied? What are the frequencies and wavelengths? Next a cap is place on one end of the 0.75-meter-long pipe. (b) Which normal modes of the pipe can be studied? What are the frequencies and wavelengths?
英語のヒント
信号発生器で駆動するスピーカーを使い、管の共鳴を調べる。発生器の振動数は1000〜1800 Hzに調節できる。まず、両端が開いた長さ0.75 mの管を調べる。室温はTF=85.00°Fである。(a) どの固有モードを調べられるか。それぞれの振動数と波長はいくらか。次に、この0.75 mの管の一端にふたをする。(b) どの固有モードを調べられるか。それぞれの振動数と波長はいくらか。
Exercise 147問題 147
A string on the violin has a length of 23.00 cm and a mass of 0.900 grams. The tension in the string 850.00 N. The temperature in the room is TC=24.00°C. The string is plucked and oscillates in the n=9 mode. (a) What is the speed of the wave on the string? (b) What is the wavelength of the sounding wave produced? (c) What is the frequency of the oscillating string? (d) What is the frequency of the sound produced? (e) What is the wavelength of the sound produced?
英語のヒント
バイオリンの弦の長さは23.00 cm、質量は0.900 g、張力は850.00 Nである。室温はTC=24.00°Cである。弦をはじくとn=9のモードで振動する。(a) 弦を伝わる波の速さはいくらか。(b) 生じる波の波長はいくらか。(c) 弦の振動数はいくらか。(d) 出る音の振動数はいくらか。(e) 出る音の波長はいくらか。
Solution解き方
a. v=466.07ms; b. λ9=51.11mm; c. f9=9.12kHz;
d. fsound=9.12kHz; e. λair=37.86mm
a. v=466.07ms b. λ9=51.11mm c. f9=9.12kHz d. f音=9.12kHz e. λ空気=37.86mm
bow wake
船首波
v-shaped disturbance created when the wave source moves faster than the wave propagation speed
英語のヒント
波源が波の伝播速度を超えて動くときにできる、V字形の乱れ
shock wave
衝撃波
wave front that is produced when a sound source moves faster than the speed of sound
英語のヒント
音源が音速を超えて動くときにできる波面
sonic boom
ソニックブーム
loud noise that occurs as a shock wave as it sweeps along the ground
英語のヒント
衝撃波が地上を通過するときに生じる大きな音