JP4195540B2

JP4195540B2 - Method for visualizing longitudinal vibration in solid and apparatus for visualizing longitudinal vibration in solid

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Publication number: JP4195540B2
Application number: JP2000129815A
Authority: JP
Inventors: 皓永松本
Original assignee: 皓永松本
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001311658A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体中を伝播する縦振動を可視化する方法並びに、この方法を用いて固体中の縦振動を可視化する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
良く知られるように、媒質中を伝わる（伝播する）波には、波の伝わる方向と直交する方向に媒質が振幅運動を行う横波（横振動）と、波の伝わる方向と同一方向に媒質が振幅運動を行う縦波（縦振動）とがある。このうち横波は、例えば海上の波や楽器の弦を弾いたときの運動に代表されるように、媒質自身が波動の伝播方向に対して直交する方向に振幅分布を有する運動であるため、一般に把握容易であり、微細な運動であってもこれを光学的に容易に可視化できるという特質を有している。
【０００３】
一方、縦波は、例えば金属棒の端部を棒の軸方向に叩いたときに金属棒中に発生する運動に代表されるように、媒質内部において媒質を構成する原子等が波動の伝播方向に相対変位する運動（疎密波）であるため、一般に把握困難であり、これを可視化することが困難であるという特質を有している。このため、従来では縦振動を観測するために、例えば被観測体である金属棒に対し棒の軸方向に圧電素子（ＰＺＴ）等の加速度ピックアップを固定配設し、この検出信号をチャージアンプで増幅、変換することにより可視化して観測していた。
【０００４】
また、例えば物理学の基礎実験等において、クントの実験と呼ばれる方法で金属棒を伝播する縦波の音速、または金属棒のヤング率の測定が行われている。これは、金属棒中を伝播する縦波をガラス管の気中に伝達させ、気中の定在波の波長をコルク等の粉末の状態から測定して、金属棒中の音速またはヤング率を求める実験である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の縦振動の観測方法では、現実に媒質内部で発生している縦振動の変化を直接的に目視観測することができないうえ、加速度ピックアップやチャージアンプを始めとしてオッシロスコープやプロッタ等の多数の機材が必要となる。さらに媒質中の振動分布状態を観測しようとすれば、その観測点数に応じて多現象の同時観測が可能な機材が必要になるなど、観測装置が大がかりなものにならざるを得ないという課題があった。
【０００６】
また、例えば上記物理学の基礎実験等においては、金属棒中での縦波及びその定在波を直接観測できないため、実験者たち（例えば学生等）は金属棒中で起こっているであろう現象を想像しながら実験を行うにとどまり、縦振動についての根本的な理解を深めることが難しいという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような課題に鑑みて成されたものであり、簡便な装置構成で媒質中を伝播する縦波を直視的に観測することができる方法及び装置を提供するとともに、これにより縦波の振動現象や定在波の存在をより容易に理解させることができる方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明では、縦振動を伝播する固体（例えば実施形態に於ける金属棒５）と、この固体中を伝播する縦振動の波面方向と略同一方向に延びて撓み振動可能に固体に固定された光学反射面（例えば実施形態に於ける反射鏡面２５ａ，３５ａ）と、縦振動の伝播する方向と略同一方向に光学反射面に照射光を照射する光源（例えば実施形態に於けるレーザ光源１０）と、光学反射面において反射された反射光を受光する受光面（例えば実施形態に於けるスクリーン４０）とを有し、固体中を伝播する縦振動を撓み振動を利用して受光面上に拡大させることにより縦振動を可視化し、さらに、上記光学反射面は部分反射鏡であり、この部分反射鏡を縦振動の伝播する方向に複数設けるとともに、反射鏡面を伝播方向に対して所定角度傾けて配設し、光源は複数の部分反射鏡に縦振動の伝播する方向と略同一方向に照射光を照射し、受光面は複数の部分反射鏡において反射された複数の反射光を受光することにより、固体中を伝播する縦振動の振幅分布を可視化する装置を構成する。
【０００９】
そして、縦振動を伝播する固体に、この固体中を伝播する縦振動の波面方向と略同一方向に延びて撓み振動可能に光学反射面を固定し、光学反射面に縦振動の伝播する方向と略同一方向から照射光を照射し、光学反射面において反射された反射光を受光面で受光することにより、固体中を伝播する縦振動を撓み振動を利用して受光面上に拡大させて縦振動を可視化する。さらに、光学反射面は部分反射鏡であり、この部分反射鏡を縦振動の伝播する方向に複数設けるとともに、反射鏡面を伝播方向に対して所定角度傾けて配設し、複数の部分反射鏡に縦振動の伝播する方向と略同一方向から照射光を照射させて、受光面は複数の部分反射鏡において反射された複数の反射光を受光することにより、固体中を伝播する縦振動の振幅分布を可視化する。
【００１０】
上記構成の縦振動可視化装置では、光学反射面は固体中を伝播する縦振動の波面方向と略同一方向（すなわち縦振動の伝わる方向と略直交する方向）に延びてこの面において撓み振動可能に固体に固定されており、光源からの照射光は縦振動の伝播する方向と略同一方向に光学反射面に照射され、光学反射面で反射された反射光は受光面に投影されて受光面上に像を作る。光学反射面は縦振動の波面方向と略同一方向に延びて撓み振動可能に固定されているため、固体中を伝播する縦振動によって光学反射面が前後に傾動するように撓み振動が誘起される。このため、反射光はいわゆる光テコの原理によって撓み振動が拡大され、受光面上には拡大された振動像が投影される。
さらに、上記構成の可視化装置では、複数の部分反射鏡（すなわち入射光の一部 ( 例えば数％ ) を反射し、他を透過する反射鏡）を縦振動の伝わる方向に、例えば一直線上に並べて設けるとともに、各反射鏡面からの反射光が重ならないように反射鏡面を伝播方向に対して所定角度傾けて配設する。そして、これら複数の部分反射鏡を貫通するように、光源からの照射光を縦振動の伝播する方向と略同一方向に照射し、複数の部分反射鏡において反射された複数の反射光を受光面上に投影するように縦振動可視化装置を構成する。このような構成によれば、受光面上に複数の部分反射鏡それぞれによって反射された固体各点における振動像が並んで拡大投影されることとなり、固体中を伝播する縦振動の振幅分布を可視化することができる。
【００１１】
従って、上記構成の縦振動可視化装置を用い、上記方法によって固体中を伝播する縦振動を可視化することにより、極めて簡単な構成で、かつ容易に、固体中を伝わる縦振動を可視化することができる。また、これにより縦波の振動現象を容易に理解させることができる。
さらに、上記構成の縦振動可視化装置を用い、上記方法によって固体中を伝播する縦振動を可視化することにより、極めて簡単な構成で、かつ容易に、固体中を伝わる縦振動の振幅分布を可視化することができる。また、これにより縦波の振動現象及び定在波の存立状態を容易に理解させることができる。
【００１６】
なお、上述の縦振動可視化方法及び装置における照射光は可視光であることが好ましい。本発明における上記各装置及び方法においては、赤外光や紫外光などの不可視光を発生する光源を用い、受光面として光源波長に対応して受光面上で光スポット位置を検出可能な受光素子（例えばＣＣＤやＰＳＤなど）を用い、この検出信号をオッシロスコープ等で可視化する方法の他、例えば蛍光板や液晶フィルム（イメージプレートやコンバートプレートとも称される）などのように、受光面で不可視光を可視光に波長変換する受光素子を用いることにより、受光面上で可視化することも可能である。
【００１７】
しかし、照射光として可視光を用いる構成によれば、受光面として上記のような波長変換素子等を用いる必要がなく、反射光が目視可能なスクリーンであればよい。従って、極めて簡単な装置構成で、かつ容易に、固体中を伝わる縦振動の振幅分布を直接的に可視化することができる。そして、これにより縦波の振動現象及び定在波の存立状態を容易に理解させることができる。なお、このような光源としてビームスポットサイズが小さく、空間的な拡がり角の小さい可視レーザ光を用いることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体中の縦振動を可視化する装置（以下単に「可視化装置」という）及び可視化方法における好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１には本発明に係る可視化装置における第１の好ましい実施例を平面図(a)、及び側面図(b)として示している。この可視化装置１は、固体の一部における縦振動の状態を観測する可視化装置であり、軸方向に縦振動を生ずる円柱状の金属棒５、この金属棒５の端部に取り付けられた光学反射部材２０、光学反射部材２０に照射光(レーザ光)Ｌを照射するレーザ光源１０、及び光学反射部材２０で反射された反射光Ｌ_Rを投影するスクリーン４０などから構成されている。
【００１９】
金属棒５は、縦振動の振動状況を観測しようとする固体の一例としてとり上げたものであり、縦振動の発生及び観測容易のため、これを棒状に加工して被観測媒体とした。以降説明する第１実施例では、直径8mm、長さｌ＝120cmの真鍮の丸棒を用い、この金属棒５の長さ方向における中点（ｌ／２位置）を固定支持した場合を例に採り説明する。
【００２０】
レーザ光源１０は、その発振形態（固体、半導体、気体レーザ等）や発振波長（不可視光、可視光）を問うものではないが、本実施例ではビームの時間的、空間的な安定性の高さや取り扱いの容易性から、発振波長633nm、出力5mWのHe-Neレーザを用い、金属棒５の軸線Ｓに対して水平方向にわずかに傾けて後述する反射鏡２５に入射させている。
【００２１】
金属棒５に固定配設される光学反射部材２０は、図１中にII-II矢視及びIII-III矢視する詳細図を、それぞれ図２及び図３に示すように、環状に形成された固定金具２１と、この固定金具２１に固着された反射鏡２５、固定金具２１を金属棒５に締め付け固定するための固定ネジ２２からなり、本実施例においては、平面視（図１(a)）において金属棒５の中心軸Ｓと反射鏡面２５ａとが垂直となるように、すなわち金属棒５中を伝播する縦振動の波面と反射鏡面２５ａとが平行になるように、構成されている。
【００２２】
固定金具２１は、金属棒５に反射鏡２５を着脱自在に固定するために用いる固定部材であり、金属棒５の振動状態に影響を与えることなく反射鏡２５に縦振動を伝達するように、例えば、アルミニウム合金のような軽量高剛性の金属材料を旋削等公知の機械加工方法によって成形加工したものである。この部材２１は、図１及び図２中にIII-III矢視で示す断面図を図３に示すように、内周側の金属棒５に向けて形成されたナイフエッジ２１ａと、金具外周部にナイフエッジ２１ａと平行に設けられて反射鏡２５を接着固定するための取付座面２１ｂと、環状の金具の一部を切り欠くことにより形成されたスリ割り２１ｃとを有して構成されている。固定金具２１は、切り欠き部２１ｃを固定ネジ２２を用いて締め込むことにより金属棒５の外周面にナイフエッジ２１ａで線接触し、金属棒５と一体となって振動するように固定されている。
【００２３】
反射鏡２５は、例えば、大きさが5×18mm程度で厚さ0.16mm程度のガラス基板を用いた短冊状の薄肉軽量の反射鏡であり、反射鏡面２５ａ側には、用いるレーザ光源１０の波長の光を反射する反射膜がコーティングされている。反射鏡２５は基端部において上記固定金具２１の取付座面２１ｂに接着固定され、固定部が固定金具２１と一体的に振動するように構成されている。なお、反射鏡上端部は解放されて図３中に二点鎖線で示すように前後に傾動可能に構成されている。
【００２４】
スクリーン４０は、レーザ光源１０から射出され反射鏡２５において反射されたレーザ光を受光して映し出す観測面であり、目視観測する場合においては上記波長のレーザスポットが明瞭に視認可能な平坦面であればよい。また、反射鏡２５とスクリーンとの距離Ｄは、反射鏡２５が上記図３のように撓み振動したときに、光テコの原理により拡大される反射光の変位を読み取るのに適した距離として適宜定められる。例えば、スクリーン４０上のレーザスポットを目視観測する場合には、最大振幅でのスクリーン上における像の高さが数十ミリメートル程度となるようにスクリーン４０を配設する。本実施例ではＤ＝２mの位置にスクリーン４０を配設した。また、ＰＳＤなどの受光素子を用いて振動波形を観測する場合には、当該受光素子の検出可能領域幅に応じて受光素子を配設する。
【００２５】
以上のように構成された可視化装置１において、図４(a)に示すように、金属棒５の長さ方向における中点（ｌ／２位置）の外周部をナイフエッジ状の固定点５ｃにおいて固定支持し、反射鏡２５にレーザ光源１０からレーザ光Ｌを入射させる。図４(b)は、このときにスクリーン４０上に投影された反射レーザ光Ｌ_Rの像をカメラで撮影したものであり、静止した丸い点状のレーザスポットとして観測される。次に、この状態から光学反射部材２０が取り付けられていない金属棒５の自由端５ｂを乾いた綿布などで軸方向に擦り、金属棒５に縦波の定在波を生じさせる。図４(c)は、このときにスクリーン４０上に投影された反射レーザ光Ｌ_Rの像であり、高速で上下に往復振動するレーザスポットがライン状の像として観測される。
【００２６】
このライン状の像の長さは金属棒５に於ける縦振動の振幅の大きさに対応しており、縦振動による金属棒５の端面の変位量を静電容量式変位計によって測定した測定結果と比較すると、例えば、静電容量式変位計による測定値(変位量)約20μmに対してスクリーン４０上でのライン長（振幅）は約50mmであった。このことから、反射鏡２５の撓み角は約0.7度であり、金属棒５の縦波の変位は反射鏡２５の撓み振動によって２５００倍に拡大されたことを意味する。
【００２７】
なお、金属棒５に固定金具２１を介して固定配設された反射鏡２５の撓み振動は、金属棒５の縦波による強制振動として考えることができる。反射鏡２５の固有振動数を振動実験装置により測定した結果850Hzであり、他方、金属棒５の縦振動の周波数をクントの方法によって測定した結果1.42kHzであった。従って、反射鏡２５と金属棒５の振動は共振状態ではなく、また、反射鏡の撓み振動数が固有振動数よりも大きいことから、金属棒５の縦振動に対して逆位相で撓み振動していると考えられる。
【００２８】
これらから、縦波の波面と同一方向のウェッジ２１ａで金属棒５に固定された固定金具２１は、縦振動によって図３中に矢印ｍで示すように軸方向に一体として直線往復運動し、反射鏡２５は、この強制振動により図３中に一点鎖線及び矢印Ｍで示すように揺動する撓み振動を発生する。このためスクリーン上に投影される反射レーザ光Ｌ_Rは光テコの原理により振幅が拡大され、縦振動の振幅強度はスクリーン上におけるライン長（直線往復運動の振幅）として投影される。
【００２９】
従って、これまで説明したような簡易な装置構成によって、極めて簡単かつ容易に縦振動の振動状態を可視化することができる。また、その拡大倍率は反射鏡２５とスクリーン４０との距離を変化させることや、反射鏡２５へのレーザビームＬの照射位置（高さ）を変化させることなどによって、任意に変更することができる。
【００３０】
次に、本発明に係る第２の好ましい実施形態について説明する。この可視化装置２は、固体の一定部分について縦振動の振幅分布を観測する可視化装置であり、図５(a)に平面図を示し、図５(b)に側面図を示すように、複数の光学反射部材３０を用いることを除いて、前述した実施例と略同一の装置構成により達成される。すなわち、この可視化装置２は、金属棒５と、金属棒５に直線状に並んで固定配設される複数の光学反射部材３０（３０₁，３０₂，３０₃…）と、射出ビームＬが金属棒５の軸線Ｓと平行となるように配設されるレーザ光源１０と、各光学反射部材からの反射レーザ光Ｌ_R（Ｌ_R1，Ｌ_R2，Ｌ_R3…）を受光するスクリーン４０とから構成されている。なお、以降の説明においては前述した実施例と同一の部材については同一番号を付して重複説明を省略する。
【００３１】
金属棒５に固定配設される光学反射部材３０は、既に図２及び図３を用いて説明した光学反射部材２０と略同一構成であり、環状に形成された固定金具２１’と、この固定金具２１’に固着された反射鏡３５、固定金具２１’を金属棒５に締め付け固定するための固定ネジ２２から構成されている。本実施形態では、レーザ光源１０から射出され光学反射部材３０の部分反射鏡３５で反射された反射光Ｌ_Rが戻り光路において隣接する部分反射鏡にかからず、また、スクリーン４０上において各反射像が重複しないように、平面視（図５(a)）において金属棒５の中心軸Ｓに対して各反射鏡面３５ａを垂直からわずかに傾斜させて固定配設している。
【００３２】
このため固定金具２１’は、前述の固定金具２１と略同一の構成であるが、部分反射鏡３５を接着固定するための取付座面(２１ｂ)部分のみが前述の固定金具と異なり、所定傾斜角（部分反射鏡の撓み振動に大きな影響を与えることのない傾斜角度範囲内であり、例えば数度程度）だけ傾けて形成されている。
【００３３】
部分反射鏡３５は、前記反射鏡２５と同程度の形状寸法のガラス基板を用いた短冊状の部分反射鏡であり、反射鏡面３５ａ側には、用いるレーザ光源１０の光波長に対して数％の反射率を持つ反射膜がコーティング（PRコート）され、他面には不要な反射を避けるための無反射コーティング（ARコート）が施されている。部分反射鏡３５は、無反射コーティング側の鏡面基端部において上記固定金具２１’の取付座面に接着固定され、固定部が固定金具２１’と一体的に振動するように構成されている。
【００３４】
このように構成された光学反射部材３０を複数用い、一列に並べて金属棒５に固定する。そして以上のように構成された可視化装置２において、レーザ光源１０から射出されたレーザ光Ｌを金属棒５の軸線Ｓに平行に（すなわち、各部分反射鏡３５に対して同一高さ位置に）各部分反射鏡３５₁,３５₂,３５₃…に入射させる。以降、図６から図８を用いて可視化装置２の作用について説明する。
【００３５】
図６(a)は金属棒５の長さ方向における中点（ｌ／２位置）を固定支持したときに、金属棒５内に生じる縦振動の定在波の振幅分布を視覚化する装置構成を示したものである。この実施例では、金属棒５の固定点５ｃからレーザ光源１０側の棒端部５ａまで１０cm間隔で７個の光学反射部材３０（３０₁,３０₂…３０₇）を固定配設し、各部分反射鏡３５（３５₁,３５₂…３５₇）で反射されスクリーン４０上に投影された反射レーザ光Ｌ_R1,Ｌ_R2…Ｌ_R7の像を観測する。
【００３６】
図６(b)は、縦振動を発生させる前にスクリーン４０上で観測される反射レーザ光の像であり、各部分反射鏡３５₁,３５₂…３５₇で反射されたレーザビームが７つの等間隔の静止した点状のスポット像として観測される。次に、この状態から光学反射部材３０が取り付けられていない金属棒５の自由端５ｂを乾いた綿布などで軸方向に擦り、金属棒５に縦波の定在波を生じさせる。図４(c)は、このときにスクリーン４０上に投影された反射レーザ光Ｌ_R1,Ｌ_R2…Ｌ_R7の像である。これ等の各像は金属棒５の各位置における縦振動の振動状態を表しており、部分反射鏡の固定されている位置に依存してその大きさが変化することがわかる。
【００３７】
前述したように、ライン状の像の高さ（高速で上下に往復振動するレーザスポットの振幅）は縦振動の振幅強度に対応しており、図６(d)にこのような支持条件において理論的に求められる縦波の定在波形を示すように、縦波の振幅強度分布と良く一致する。すなわち、図６(a)のように光学反射部材３０を被観測媒体に複数取り付けて反射像を観測することにより、被観測媒体上の縦波の定在波形を極めて容易に視覚化できることがわかる。
【００３８】
図７は、金属棒５の固定点５ｃをｌ／２の中点位置から、左端からｌ／４の位置に変更し、固定点５ｃからレーザ光源１０側の金属棒５に１０cm間隔で１０個の光学反射部材３０を固定配設したときの、縦振動を発生させる前（図７(a)）及び縦振動を生じさせたとき（図７(b)）にスクリーン４０上で観察される反射レーザ光Ｌ_R1〜Ｌ_R10の像である。図７(c)は、このような支持条件で理論的に予測される縦波の定在波形であり、図中に付記したようにｌ／４，３ｌ／４の位置に節が、０，２ｌ／４，ｌの各位置に腹ができる。スクリーン上で観測される反射レーザ光Ｌ_R1〜Ｌ_R10の像は、この定在波形と良く一致しており、腹と節とを含む定在波形を明確かつ忠実に視覚化していることが解る。
【００３９】
図８は、金属棒５の固定点を左端からｌ／６位置に設け、固定点５ｃからレーザ光源１０側の金属棒５に６.７cm間隔で１６個の光学反射部材３０を固定配設したときの、縦振動を発生させる前（図８(a))及び縦振動を生じさせたとき（図８(b)）にスクリーン４０上で観察される反射レーザ光Ｌ_R1〜Ｌ_R16の像である。図８(c)は、このような支持条件で理論的に予測される縦波の定在波形であり、図中に付記したようにｌ／６，３ｌ／６，５ｌ／６の位置に節が、０，２ｌ／６，ｌの各位置に腹ができる。スクリーン上で観測される反射レーザ光Ｌ_R1〜Ｌ_R16の像は、この定在波形と良く一致しており、縦波の定在波形を明確かつ忠実に視覚化していることが解る。
【００４０】
このように、本発明では縦振動の伝播する被観測媒体に、縦波の波面方向と略同一方向に撓み振動自在な光学反射部材を固定配設し、光学反射面に縦振動の伝播する方向と略同一方向から照射光を照射して光学反射面において反射された反射光を受光面で受光することにより、固体中を伝播する縦振動を撓み振動を利用して受光面上に拡大させて縦振動を可視化する。このため、被観測媒体は光学反射部材(反射鏡)が固定可能な固体であればよく、例えば岩盤や氷などであっても振幅分布を可視化し、あるいは振動状態を計測することができる。また、このような縦振動の計測装置及び方法をさらに進めて固体中の音速測定やヤング率の測定に応用することも可能である。
【００４１】
なお、以上説明した実施例では縦振動の観測位置を自由に変更できるように、撓み振動可能な反射鏡を固定金具に接着固定した光学反射部材を用い、これを被検出媒体である固体に締め付け固定する構成としたが、固体に撓み振動可能な反射鏡を直接固定する構成や、撓み振動可能な弾性体に反射鏡を固定する構成であっても同様の効果を得ることができる。さらに、本実施例では部分反射鏡を用いて１本のレーザビームを部分反射させる構成としたが、例えば、一本のレーザビームをビームスプリッタ等により複数本に分割し、あるいは複数のレーザ光源を用い、それぞれ全反射鏡で反射させたレーザスポットをスクリーン上に並べて投影するように構成することも可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、縦振動を伝播する固体と、この固体中を伝播する縦振動の波面方向と略同一方向に延びて撓み振動可能に固体に固定された光学反射面と、縦振動の伝播する方向と略同一方向に光学反射面に照射光を照射する光源と、光学反射面において反射された反射光を受光する受光面とを有し、固体中を伝播する縦振動を撓み振動を利用して受光面上に拡大させることにより縦振動を可視化するように固体中の縦振動を可視化する装置を構成する。そして、光学反射面に縦振動の伝播する方向と略同一方向から照射光を照射し、光学反射面において反射された反射光を受光面で受光することにより、固体中を伝播する縦振動を撓み振動を利用して受光面上に拡大させて縦振動を可視化する。
従って、上記構成の縦振動可視化装置を用い、上記方法によって固体中を伝播する縦振動を可視化することにより、極めて簡単な構成で、かつ容易に、固体中を伝わる縦振動を可視化することができる。また、これにより縦波の振動現象を容易に理解させることができる。
さらに、本発明では、上記光学反射面は部分反射鏡であり、この部分反射鏡を縦振動の伝播する方向に複数設けるとともに、反射鏡面を伝播方向に対して所定角度傾けて配設し、光源は複数の部分反射鏡に縦振動の伝播する方向と略同一方向に照射光を照射し、受光面は複数の部分反射鏡において反射された複数の反射光を受光するように装置を構成し、固体中を伝播する縦振動の振幅分布を可視化する。
従って、上記構成の縦振動可視化装置を用いて固体中を伝播する縦振動を可視化することにより、極めて簡単な構成で、かつ容易に、固体中を伝わる縦振動の振幅分布を可視化することができる。また、これにより縦波の振動現象及び定在波の存立状態を容易に理解させることができる。
【００４６】
なお、上述の縦振動可視化方法及び装置における照射光は可視光であることが好ましい。このような構成によれば、受光面として波長変換素子等を用いる必要がなく反射光が目視可能なスクリーンであればよい。従って、極めて簡単な装置構成で、かつ容易に、固体中を伝わる縦振動の振幅分布を直接的に可視化することができる。そして、これにより縦波の振動現象及び定在波の存立状態を容易に理解させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体の縦振動を可視化する装置における、第１の好ましい実施形態の構成を示す説明図である。このうち図(a)は装置の上面図、図(b)は側面図を表す。
【図２】上記可視化装置における光学反射部材の詳細構成を示す正面図である。
【図３】上記光学反射部材の断面図（図２におけるIII-III断面図）である。
【図４】上記可視化装置の作用を説明する説明図である。このうち、図(a)は金属棒の固定条件を示す装置概略図、図(b)は金属棒に縦振動を発生させる前のスクリーン上の反射像、図(c)は金属棒に縦振動を発生させたときのスクリーン上の反射像を示す。
【図５】本発明に係る固体の縦振動を可視化する装置における、第２の好ましい実施形態の構成を示す説明図である。このうち図(a)は装置の上面図、図(b)は側面図を表す。
【図６】上記可視化装置の作用を説明する説明図である。このうち、図(a)は金属棒の固定条件を示す装置概略図、図(b)は金属棒に縦振動を発生させる前のスクリーン上の反射像、図(c)は金属棒に縦振動を発生させたときのスクリーン上の反射像、図(d)は上記支持条件において想定される縦振動の振幅分布を示す。
【図７】上記可視化装置の作用を説明する説明図である。このうち、図(a)は金属棒の固定条件を示す装置概略図、図(b)は金属棒に縦振動を発生させる前のスクリーン上の反射像、図(c)は金属棒に縦振動を発生させたときのスクリーン上の反射像、図(d)は上記支持条件において想定される縦振動の振幅分布を示す。
【図８】上記可視化装置の作用を説明する説明図である。このうち、図(a)は金属棒の固定条件を示す装置概略図、図(b)は金属棒に縦振動を発生させる前のスクリーン上の反射像、図(c)は金属棒に縦振動を発生させたときのスクリーン上の反射像、図(d)は上記支持条件において想定される縦振動の振幅分布を示す。
【符号の説明】
１固体の縦振動を可視化する装置（第１実施例）
２固体の縦振動を可視化する装置（第２実施例）
５金属棒（縦振動を伝播する固体）
１０レーザ光源（光源）
２０光学反射部材
２５反射鏡
２５ａ反射鏡面（光学反射面）
３０光学反射部材
３５部分反射鏡
３５ａ反射鏡面（光学反射面）
４０スクリーン（受光面）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for visualizing longitudinal vibration propagating in a solid, and an apparatus for visualizing longitudinal vibration in a solid using this method.
[0002]
[Prior art]
As is well known, a wave propagating (propagating) in a medium includes a transverse wave (transverse vibration) in which the medium performs amplitude motion in a direction orthogonal to the direction in which the wave is transmitted, and a medium in the same direction as the direction in which the wave is transmitted. There is a longitudinal wave (longitudinal vibration) that performs amplitude motion. Of these, the transverse wave is a movement having an amplitude distribution in a direction perpendicular to the propagation direction of the wave, as represented by the movement when playing a wave of the ocean or a string of an instrument, for example. It has the property that it is easy to grasp and even a minute movement can be easily visualized optically.
[0003]
On the other hand, the longitudinal wave is, for example, represented by the motion generated in the metal rod when the end of the metal rod is struck in the axial direction of the metal rod. In general, it is difficult to grasp because it is a relative displacement (dense wave), and it is difficult to visualize this. For this reason, conventionally, in order to observe longitudinal vibration, for example, an acceleration pickup such as a piezoelectric element (PZT) is fixedly disposed in the axial direction of a metal rod as an object to be observed, and this detection signal is transmitted by a charge amplifier. It was visualized and observed by amplification and conversion.
[0004]
Further, for example, in a basic experiment of physics or the like, measurement of the velocity of longitudinal waves propagating through a metal bar or the Young's modulus of a metal bar is performed by a method called Kunt's experiment. This is because the longitudinal wave propagating in the metal rod is transmitted into the air of the glass tube, the wavelength of the standing wave in the air is measured from the state of powder such as cork, and the sound speed or Young's modulus in the metal rod is measured. It is an experiment to seek.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, with the conventional methods for observing longitudinal vibration as described above, changes in longitudinal vibration actually occurring inside the medium cannot be directly visually observed, and oscilloscopes such as accelerometers and charge amplifiers can be used. A lot of equipment such as a plotter is required. Furthermore, if the vibration distribution state in the medium is to be observed, there is a problem that the observation apparatus must be large-scale, such as equipment that can simultaneously observe multiple phenomena depending on the number of observation points. there were.
[0006]
In addition, for example, in the above basic experiment of physics, the longitudinal waves and their standing waves in a metal bar cannot be observed directly, so the experimenters (for example, students, etc.) will be taking place in the metal bar. There was a problem that it was difficult to deepen the fundamental understanding of longitudinal vibration, only by conducting experiments while imagining the phenomenon.
[0007]
The present invention has been made in view of the problems as described above, and provides a method and an apparatus capable of directly observing a longitudinal wave propagating in a medium with a simple apparatus configuration. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus that can more easily understand the vibration phenomenon of a longitudinal wave and the presence of a standing wave.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in the present invention, a solid that propagates longitudinal vibration (for example, the metal rod 5 in the embodiment) and a flexural vibration that extends in substantially the same direction as the wavefront direction of the longitudinal vibration that propagates in the solid are possible. An optical reflecting surface (for example, the reflecting mirror surfaces 25a and 35a in the embodiment) fixed to a solid and a light source (for example, in the embodiment) that irradiates the optical reflecting surface in a direction substantially the same as the direction in which the longitudinal vibration propagates. A laser light source 10) and a light receiving surface (for example, the screen 40 in the embodiment) that receives the reflected light reflected by the optical reflecting surface, and uses the flexural vibration to flex the longitudinal vibration propagating in the solid. Visualize longitudinal vibration by enlarging on the light receiving surfaceFurther, the optical reflection surface is a partial reflection mirror, and a plurality of the partial reflection mirrors are provided in the direction in which the longitudinal vibration propagates, and the reflection mirror surfaces are inclined at a predetermined angle with respect to the propagation direction. Irradiation light is radiated in the same direction as the propagation of longitudinal vibration to the partial reflection mirror, and the light receiving surface receives a plurality of reflected lights reflected by the plurality of partial reflection mirrors, thereby propagating in the solid. The amplitude distribution of vibrationConfigure the device to be visualized.
[0009]
  And, in the solid propagating the longitudinal vibration, the optical reflection surface is fixed in such a manner that it extends in substantially the same direction as the wavefront direction of the longitudinal vibration propagating in the solid and can be flexibly vibrated. Irradiation light is irradiated from substantially the same direction, and the reflected light reflected by the optical reflecting surface is received by the light receiving surface, so that the longitudinal vibration propagating in the solid is expanded on the light receiving surface by using flexural vibration. Visualize vibration.Further, the optical reflection surface is a partial reflection mirror, and a plurality of the partial reflection mirrors are provided in the direction in which the longitudinal vibration propagates, and the reflection mirror surfaces are disposed at a predetermined angle with respect to the propagation direction. Amplitude distribution of longitudinal vibration propagating in a solid by irradiating irradiation light from the same direction as the propagation direction of longitudinal vibration, and the light receiving surface receiving a plurality of reflected lights reflected by a plurality of partial reflecting mirrors Is visualized.
[0010]
  In the longitudinal vibration visualization device having the above-described configuration, the optical reflecting surface extends in substantially the same direction as the longitudinal vibration wavefront direction propagating in the solid (that is, the direction substantially perpendicular to the longitudinal vibration propagation direction), and can be flexibly vibrated on this surface. The light from the light source is applied to the optical reflecting surface in the same direction as the propagation of the longitudinal vibration, and the reflected light reflected by the optical reflecting surface is projected onto the light receiving surface. Make a statue on. Since the optical reflecting surface extends in substantially the same direction as the wavefront direction of the longitudinal vibration and is fixed so as to bend and vibrate, the bending vibration is induced so that the optical reflecting surface tilts back and forth by the longitudinal vibration propagating in the solid. . For this reason, the reflected light is flexed and magnified by the so-called optical lever principle, and an enlarged vibration image is projected on the light receiving surface.
  Furthermore, in the visualization apparatus having the above configuration, a plurality of partial reflection mirrors (that is, a part of incident light) ( For example, several percent ) Are arranged in a line, for example, in a straight line, and the reflecting mirror surfaces are inclined at a predetermined angle with respect to the propagation direction so that the reflected light from each reflecting mirror surface does not overlap. Arrange. Then, the irradiation light from the light source is irradiated in substantially the same direction as the propagation of the longitudinal vibration so as to penetrate the plurality of partial reflection mirrors, and the plurality of reflection lights reflected by the plurality of partial reflection mirrors are received on the light receiving surface. The longitudinal vibration visualization device is configured to project on the top. According to such a configuration, the vibration image at each point of the solid reflected by each of the plurality of partial reflection mirrors is projected side by side on the light receiving surface, and the amplitude distribution of the longitudinal vibration propagating in the solid is visualized. can do.
[0011]
  Therefore, by using the above-structured longitudinal vibration visualization device and visualizing the longitudinal vibration propagating in the solid by the above method, the longitudinal vibration propagating in the solid can be visualized with a very simple configuration. . This also makes it possible to easily understand the longitudinal wave vibration phenomenon.
  Further, by visualizing the longitudinal vibration propagating in the solid by the above method using the longitudinal vibration visualizing device having the above configuration, the amplitude distribution of the longitudinal vibration propagating in the solid can be visualized with a very simple configuration. be able to. This also makes it possible to easily understand the vibration phenomenon of the longitudinal wave and the standing state of the standing wave.
[0016]
In addition, it is preferable that the irradiation light in the above-mentioned longitudinal vibration visualization method and apparatus is visible light. In each of the above-described apparatuses and methods according to the present invention, a light receiving element that uses a light source that generates invisible light such as infrared light and ultraviolet light and can detect a light spot position on the light receiving surface corresponding to the light source wavelength as the light receiving surface. In addition to a method of visualizing this detection signal with an oscilloscope or the like (for example, CCD or PSD), invisible light is emitted on the light receiving surface such as a fluorescent plate or a liquid crystal film (also called an image plate or a conversion plate). Visualization on the light receiving surface is also possible by using a light receiving element that converts the wavelength into visible light.
[0017]
However, according to the configuration using visible light as the irradiation light, it is not necessary to use the wavelength conversion element as described above as the light receiving surface, and any screen can be used as long as the reflected light is visible. Accordingly, it is possible to directly visualize the amplitude distribution of the longitudinal vibration transmitted through the solid with a very simple apparatus configuration. Thus, it is possible to easily understand the vibration phenomenon of the longitudinal wave and the standing state of the standing wave. As such a light source, it is preferable to use a visible laser beam having a small beam spot size and a small spatial divergence angle.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of an apparatus for visualizing longitudinal vibration in a solid according to the present invention (hereinafter simply referred to as “visualization apparatus”) and a visualization method will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a first preferred embodiment of the visualization device according to the present invention as a plan view (a) and a side view (b). The visualization device 1 is a visualization device for observing the state of longitudinal vibration in a part of a solid. A cylindrical metal rod 5 that produces longitudinal vibration in the axial direction and an optical reflection attached to the end of the metal rod 5. The member 20, the laser light source 10 that irradiates the optical reflecting member 20 with the irradiation light (laser light) L, and the reflected light L reflected by the optical reflecting member 20._RFor example, a screen 40 for projecting.
[0019]
The metal rod 5 is taken as an example of a solid to observe the vibration state of the longitudinal vibration, and this is processed into a rod shape and used as a medium to be observed for easy generation and observation of the longitudinal vibration. In the first embodiment described below, a brass round bar having a diameter of 8 mm and a length of 1 = 120 cm is used, and the middle point (l / 2 position) in the length direction of the metal bar 5 is fixedly supported as an example. Pick and explain.
[0020]
The laser light source 10 does not ask the oscillation mode (solid, semiconductor, gas laser, etc.) or the oscillation wavelength (invisible light, visible light), but in this embodiment, the beam has high temporal and spatial stability. From the viewpoint of ease of handling, a He—Ne laser with an oscillation wavelength of 633 nm and an output of 5 mW is used, and is slightly inclined in the horizontal direction with respect to the axis S of the metal rod 5 and is incident on a reflecting mirror 25 described later.
[0021]
The optical reflecting member 20 fixedly disposed on the metal rod 5 is formed in an annular shape as shown in FIGS. 2 and 3, respectively, as shown in detail in FIGS. 2 and 3 as viewed in the direction of arrows II-II and III-III in FIG. The fixing bracket 21, the reflecting mirror 25 fixed to the fixing bracket 21, and a fixing screw 22 for tightening and fixing the fixing bracket 21 to the metal rod 5 are shown in plan view (FIG. 1 (a )), The central axis S of the metal rod 5 and the reflecting mirror surface 25a are perpendicular to each other, that is, the wavefront of longitudinal vibration propagating in the metal rod 5 and the reflecting mirror surface 25a are parallel to each other. .
[0022]
The fixing bracket 21 is a fixing member used for detachably fixing the reflecting mirror 25 to the metal rod 5, and transmits longitudinal vibration to the reflecting mirror 25 without affecting the vibration state of the metal rod 5. For example, a lightweight and highly rigid metal material such as an aluminum alloy is formed by a known machining method such as turning. As shown in FIG. 3, the member 21 includes a knife edge 21 a formed toward the inner metal rod 5 and a metal fitting outer peripheral portion as shown in FIG. 3. Are provided in parallel with the knife edge 21a and have a mounting seat surface 21b for bonding and fixing the reflecting mirror 25, and a slot 21c formed by cutting out a part of the annular metal fitting. Yes. The fixing bracket 21 is fixed so as to be in line contact with the outer peripheral surface of the metal bar 5 by the knife edge 21a by tightening the notch portion 21c with the fixing screw 22 and vibrate integrally with the metal bar 5. Yes.
[0023]
The reflecting mirror 25 is, for example, a strip-like thin and lightweight reflecting mirror using a glass substrate having a size of about 5 × 18 mm and a thickness of about 0.16 mm. The wavelength of the laser light source 10 to be used is on the reflecting mirror surface 25a side. A reflective film that reflects the light is coated. The reflecting mirror 25 is bonded and fixed to the mounting seat surface 21 b of the fixing bracket 21 at the base end portion, and the fixing portion vibrates integrally with the fixing bracket 21. The upper end portion of the reflecting mirror is released and is configured to be tiltable back and forth as indicated by a two-dot chain line in FIG.
[0024]
The screen 40 is an observation surface that receives and displays the laser light emitted from the laser light source 10 and reflected by the reflecting mirror 25. In the case of visual observation, the screen 40 may be a flat surface on which the laser spot with the above wavelength is clearly visible. That's fine. The distance D between the reflecting mirror 25 and the screen is appropriately set as a distance suitable for reading the displacement of the reflected light enlarged by the optical lever principle when the reflecting mirror 25 bends and vibrates as shown in FIG. Determined. For example, when the laser spot on the screen 40 is visually observed, the screen 40 is arranged so that the height of the image on the screen at the maximum amplitude is about several tens of millimeters. In this embodiment, the screen 40 is disposed at a position where D = 2 m. Further, when the vibration waveform is observed using a light receiving element such as a PSD, the light receiving element is arranged according to the detectable region width of the light receiving element.
[0025]
In the visualization device 1 configured as described above, as shown in FIG. 4A, the outer peripheral portion of the midpoint (1/2 position) in the length direction of the metal bar 5 is fixed at a knife-edge-shaped fixed point 5c. The laser beam L is incident on the reflecting mirror 25 from the laser light source 10. FIG. 4B shows the reflected laser beam L projected onto the screen 40 at this time._RThis image is taken with a camera, and is observed as a stationary round dot-like laser spot. Next, from this state, the free end 5b of the metal bar 5 to which the optical reflecting member 20 is not attached is rubbed in the axial direction with a dry cotton cloth or the like, and a longitudinal wave standing wave is generated in the metal bar 5. FIG. 4C shows the reflected laser light L projected on the screen 40 at this time._RA laser spot that reciprocates vertically at high speed is observed as a line-shaped image.
[0026]
The length of the line-shaped image corresponds to the magnitude of the amplitude of longitudinal vibration in the metal rod 5, and the amount of displacement of the end surface of the metal rod 5 due to longitudinal vibration is measured by a capacitance displacement meter. Compared with the results, for example, the line length (amplitude) on the screen 40 was about 50 mm with respect to the measured value (displacement amount) of about 20 μm by the capacitance displacement meter. From this, the deflection angle of the reflecting mirror 25 is about 0.7 degrees, which means that the displacement of the longitudinal wave of the metal bar 5 is enlarged 2500 times by the bending vibration of the reflecting mirror 25.
[0027]
The flexural vibration of the reflecting mirror 25 fixedly disposed on the metal bar 5 via the fixing metal 21 can be considered as forced vibration due to the longitudinal wave of the metal bar 5. As a result of measuring the natural frequency of the reflecting mirror 25 by a vibration experiment apparatus, it was 850 Hz, and on the other hand, the frequency of the longitudinal vibration of the metal rod 5 was measured by the Kunt method, and was 1.42 kHz. Accordingly, the vibrations of the reflecting mirror 25 and the metal rod 5 are not in a resonance state, and the flexural frequency of the reflecting mirror is larger than the natural frequency. It is thought that.
[0028]
From these, the fixture 21 fixed to the metal rod 5 by the wedge 21a in the same direction as the wavefront of the longitudinal wave linearly reciprocates integrally in the axial direction as indicated by an arrow m in FIG. The mirror 25 generates a flexural vibration that oscillates as indicated by a one-dot chain line and an arrow M in FIG. Therefore, the reflected laser light L projected on the screen_RThe amplitude is enlarged by the principle of optical lever, and the amplitude intensity of the longitudinal vibration is projected as a line length on the screen (amplitude of linear reciprocation).
[0029]
Therefore, the vibration state of the longitudinal vibration can be visualized very easily and easily by the simple device configuration as described above. Further, the magnification can be arbitrarily changed by changing the distance between the reflecting mirror 25 and the screen 40, changing the irradiation position (height) of the laser beam L to the reflecting mirror 25, or the like. .
[0030]
Next, a second preferred embodiment according to the present invention will be described. The visualization device 2 is a visualization device that observes the amplitude distribution of longitudinal vibration for a certain portion of a solid, and shows a plan view in FIG. 5 (a) and a side view in FIG. 5 (b). Except for the use of the optical reflecting member 30, this is achieved by substantially the same apparatus configuration as the above-described embodiment. That is, the visualization device 2 includes a metal rod 5 and a plurality of optical reflecting members 30 (30 which are fixedly arranged in a straight line on the metal rod 5.₁, 30₂, 30_Three...), the laser light source 10 disposed so that the emitted beam L is parallel to the axis S of the metal rod 5, and the reflected laser light L from each optical reflecting member_R(L_R1, L_R2, L_R3..)) For receiving light. In the following description, the same members as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0031]
The optical reflecting member 30 fixedly disposed on the metal rod 5 has substantially the same configuration as the optical reflecting member 20 already described with reference to FIGS. 2 and 3, and the fixing bracket 21 ′ formed in an annular shape and this fixing A reflecting mirror 35 fixed to the metal fitting 21 ′ and a fixing screw 22 for fastening and fixing the metal fitting 21 ′ to the metal rod 5 are constituted. In the present embodiment, the reflected light L emitted from the laser light source 10 and reflected by the partial reflecting mirror 35 of the optical reflecting member 30._RIs not applied to the adjacent partial reflecting mirror in the return optical path, and each reflection image on the screen 40 is not overlapped with each other with respect to the central axis S of the metal rod 5 in a plan view (FIG. 5A). The reflecting mirror surface 35a is fixedly disposed slightly inclined from the vertical.
[0032]
For this reason, the fixing bracket 21 'has substantially the same configuration as the above-described fixing bracket 21, but only the mounting seat surface (21b) portion for bonding and fixing the partial reflecting mirror 35 is different from the above-described fixing bracket, and has a predetermined inclination. It is formed to be inclined by an angle (within a tilt angle range that does not significantly affect the bending vibration of the partial reflector, for example, about several degrees).
[0033]
The partial reflection mirror 35 is a strip-shaped partial reflection mirror using a glass substrate having the same shape and dimension as the reflection mirror 25, and on the reflection mirror surface 35 a side, it is several percent with respect to the light wavelength of the laser light source 10 to be used. A reflective film having a reflectivity of 1 is coated (PR coating), and an anti-reflection coating (AR coating) is applied to the other surface to avoid unnecessary reflection. The partial reflecting mirror 35 is configured to be bonded and fixed to the mounting seat surface of the fixing bracket 21 'at the mirror base end portion on the non-reflective coating side, and the fixing portion vibrates integrally with the fixing bracket 21'.
[0034]
A plurality of optical reflecting members 30 configured as described above are used, and are arranged in a row and fixed to the metal rod 5. In the visualization device 2 configured as described above, the laser light L emitted from the laser light source 10 is parallel to the axis S of the metal rod 5 (that is, at the same height position with respect to each partial reflection mirror 35). Each partial reflector 35₁, 35₂, 35_ThreeIncident on. Hereinafter, the operation of the visualization apparatus 2 will be described with reference to FIGS. 6 to 8.
[0035]
FIG. 6A shows a device configuration for visualizing the amplitude distribution of standing waves of longitudinal vibration generated in the metal rod 5 when the middle point (1/2 position) in the length direction of the metal rod 5 is fixedly supported. Is shown. In this embodiment, seven optical reflecting members 30 (30) are spaced from each other by a distance of 10 cm from the fixing point 5c of the metal rod 5 to the rod end portion 5a on the laser light source 10 side.₁, 30₂... 30₇) Are fixedly arranged, and each partial reflecting mirror 35 (35₁, 35₂... 35₇) And reflected laser light L projected onto the screen 40._R1, L_R2... L_R7Observe the image of
[0036]
FIG. 6B shows an image of the reflected laser light observed on the screen 40 before the longitudinal vibration is generated.₁, 35₂... 35₇The laser beam reflected by is observed as seven spot-like spot images at regular intervals. Next, from this state, the free end 5b of the metal bar 5 to which the optical reflecting member 30 is not attached is rubbed in the axial direction with a dry cotton cloth or the like, and a longitudinal wave standing wave is generated in the metal bar 5. FIG. 4C shows the reflected laser light L projected on the screen 40 at this time._R1, L_R2... L_R7It is a statue of. Each of these images represents the vibration state of the longitudinal vibration at each position of the metal bar 5, and it can be seen that the size changes depending on the position where the partial reflecting mirror is fixed.
[0037]
As described above, the height of the line-shaped image (the amplitude of the laser spot that reciprocates vertically at high speed) corresponds to the amplitude intensity of the longitudinal vibration. FIG. As shown in the standing wave of the longitudinal wave, the amplitude intensity distribution of the longitudinal wave is in good agreement. That is, it can be seen that the standing waveform of the longitudinal wave on the observed medium can be visualized very easily by attaching a plurality of optical reflecting members 30 to the observed medium and observing the reflected image as shown in FIG. .
[0038]
In FIG. 7, the number of fixing points 5c of the metal rod 5 is changed from the midpoint position of l / 2 to a position of l / 4 from the left end, and 10 pieces are provided from the fixing point 5c to the metal rod 5 on the laser light source 10 side at intervals of 10 cm. Reflection observed on the screen 40 before the longitudinal vibration is generated (FIG. 7A) and when the optical reflection member 30 is fixedly disposed (FIG. 7B). Laser light L_R1~ L_R10It is a statue of. FIG. 7 (c) shows a standing wave of a longitudinal wave that is theoretically predicted under such a support condition. As indicated in the figure, a node is located at positions l / 4 and 3l / 4, and 0, A belly is formed at each position of 2l / 4 and l. Reflected laser beam L observed on the screen_R1~ L_R10This image is in good agreement with this standing waveform, and it can be seen that the standing waveform including the abdomen and nodes is clearly and faithfully visualized.
[0039]
In FIG. 8, a fixing point of the metal rod 5 is provided at a position 1/6 from the left end, and 16 optical reflecting members 30 are fixedly arranged at intervals of 6.7 cm from the fixing point 5c to the metal rod 5 on the laser light source 10 side. The reflected laser beam L observed on the screen 40 before the longitudinal vibration is generated (FIG. 8A) and when the longitudinal vibration is generated (FIG. 8B)._R1~ L_R16It is a statue of. FIG. 8 (c) shows a standing wave of a longitudinal wave that is theoretically predicted under such a support condition. As indicated in the figure, the node is positioned at positions 1/6, 3l / 6, and 5l / 6. However, there is a belly at each position of 0, 2l / 6, l. Reflected laser beam L observed on the screen_R1~ L_R16This image agrees well with this standing waveform, and it can be seen that the standing waveform of the longitudinal wave is visualized clearly and faithfully.
[0040]
As described above, in the present invention, an optical reflecting member that can be flexed and vibrated in substantially the same direction as the wavefront direction of the longitudinal wave is fixedly disposed on the observed medium in which the longitudinal vibration propagates, and the direction in which the longitudinal vibration propagates to the optical reflecting surface. The longitudinal vibration propagating in the solid is expanded on the light receiving surface using flexural vibration by irradiating the irradiated light from substantially the same direction and receiving the reflected light reflected on the optical reflecting surface by the light receiving surface. Visualize longitudinal vibration. Therefore, the medium to be observed only needs to be a solid to which the optical reflecting member (reflecting mirror) can be fixed. For example, even if it is a rock or ice, the amplitude distribution can be visualized or the vibration state can be measured. Further, it is possible to further advance such a longitudinal vibration measuring apparatus and method and apply it to the measurement of sound velocity and Young's modulus in a solid.
[0041]
In the embodiment described above, an optical reflecting member in which a reflecting mirror capable of flexural vibration is bonded and fixed to a fixing bracket so that the observation position of longitudinal vibration can be freely changed, and this is clamped to a solid as a detection medium. Although it is configured to be fixed, the same effect can be obtained even in a configuration in which a reflecting mirror capable of bending vibration is directly fixed to a solid or a configuration in which the reflecting mirror is fixed to an elastic body capable of bending vibration. Further, in the present embodiment, the configuration is such that one laser beam is partially reflected using a partial reflecting mirror. However, for example, one laser beam is divided into a plurality of beams by a beam splitter or the like, or a plurality of laser light sources are arranged. It is also possible to use such a configuration that the laser spots respectively reflected by the total reflection mirrors are projected side by side on the screen.
[0042]
【The invention's effect】
  As described above, in the present invention, a solid that propagates longitudinal vibration, and an optical reflecting surface that extends in substantially the same direction as the wavefront direction of longitudinal vibration that propagates in the solid and is fixed to the solid so as to be capable of flexural vibration, It has a light source that irradiates the optical reflection surface with irradiation light in substantially the same direction as the propagation of the longitudinal vibration, and a light receiving surface that receives the reflected light reflected by the optical reflection surface, and the longitudinal vibration that propagates through the solid An apparatus for visualizing longitudinal vibration in a solid is constructed so as to visualize longitudinal vibration by enlarging on the light receiving surface using flexural vibration. The optical reflection surface is irradiated with irradiation light from substantially the same direction as the longitudinal vibration propagates, and the reflected light reflected on the optical reflection surface is received by the light receiving surface, so that the longitudinal vibration propagating in the solid is deflected. The vertical vibration is visualized by expanding on the light receiving surface using vibration.
  Therefore, by using the above-structured longitudinal vibration visualization device and visualizing the longitudinal vibration propagating in the solid by the above method, the longitudinal vibration propagating in the solid can be visualized with a very simple configuration. . This also makes it possible to easily understand the longitudinal wave vibration phenomenon.
  Furthermore, in the present invention, the optical reflecting surface is a partial reflecting mirror, and a plurality of the partial reflecting mirrors are provided in the direction in which the longitudinal vibration propagates, and the reflecting mirror surfaces are disposed at a predetermined angle with respect to the propagation direction. Is configured to irradiate a plurality of partial reflection mirrors with irradiation light in substantially the same direction as the propagation of longitudinal vibration, and the light receiving surface is configured to receive a plurality of reflection lights reflected by the plurality of partial reflection mirrors, Visualize the amplitude distribution of longitudinal vibration propagating in a solid.
  Therefore, by visualizing the longitudinal vibration propagating in the solid using the longitudinal vibration visualization device having the above-described configuration, it is possible to visualize the amplitude distribution of the longitudinal vibration propagating in the solid with a very simple configuration. . This also makes it possible to easily understand the vibration phenomenon of the longitudinal wave and the standing state of the standing wave.
[0046]
In addition, it is preferable that the irradiation light in the above-mentioned longitudinal vibration visualization method and apparatus is visible light. According to such a structure, it is not necessary to use a wavelength conversion element etc. as a light-receiving surface, and what is necessary is just a screen with which reflected light can be visually observed. Accordingly, it is possible to directly visualize the amplitude distribution of the longitudinal vibration transmitted through the solid with a very simple apparatus configuration. Thus, it is possible to easily understand the vibration phenomenon of the longitudinal wave and the standing state of the standing wave.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a first preferred embodiment in an apparatus for visualizing solid longitudinal vibration according to the present invention. Among these, FIG. (A) shows a top view of the apparatus, and FIG. (B) shows a side view.
FIG. 2 is a front view showing a detailed configuration of an optical reflecting member in the visualization device.
FIG. 3 is a cross-sectional view (III-III cross-sectional view in FIG. 2) of the optical reflecting member.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the operation of the visualization device. Of these, Fig. (A) is a schematic diagram of the device showing the fixing conditions of the metal rod, Fig. (B) is a reflection image on the screen before the vertical vibration is generated on the metal rod, and Fig. (C) is the vertical vibration on the metal rod. The reflection image on a screen when generating is shown.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration of a second preferred embodiment in an apparatus for visualizing solid longitudinal vibration according to the present invention. Among these, FIG. (A) shows a top view of the apparatus, and FIG. (B) shows a side view.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the operation of the visualization device. Of these, Fig. (A) is a schematic diagram of the device showing the fixing conditions of the metal rod, Fig. (B) is a reflection image on the screen before the vertical vibration is generated on the metal rod, and Fig. (C) is the vertical vibration on the metal rod. FIG. 4D shows an amplitude distribution of longitudinal vibration assumed under the above support conditions.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the operation of the visualization device. Of these, Fig. (A) is a schematic diagram of the device showing the fixing conditions of the metal rod, Fig. (B) is a reflection image on the screen before the vertical vibration is generated on the metal rod, and Fig. (C) is the vertical vibration on the metal rod. FIG. 4D shows an amplitude distribution of longitudinal vibration assumed under the above support conditions.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the operation of the visualization device. Of these, Fig. (A) is a schematic diagram of the device showing the fixing conditions of the metal rod, Fig. (B) is a reflection image on the screen before the vertical vibration is generated on the metal rod, and Fig. (C) is the vertical vibration on the metal rod. FIG. 4D shows an amplitude distribution of longitudinal vibration assumed under the above support conditions.
[Explanation of symbols]
1 Device for visualizing the longitudinal vibration of a solid (first embodiment)
2 Device for visualizing longitudinal vibration of solid (second embodiment)
5 Metal rod (solid propagating longitudinal vibration)
10 Laser light source (light source)
20 Optical reflecting member
25 Reflector
25a Reflective mirror surface (optical reflection surface)
30 Optical reflection member
35 Partial reflector
35a Reflective mirror surface (optical reflection surface)
40 screen (light-receiving surface)

Claims

A solid that propagates longitudinal vibration;
An optical reflecting surface that extends in substantially the same direction as the wavefront direction of the longitudinal vibration propagating in the solid and is fixed to the solid so as to be capable of flexural vibration;
A light source that irradiates the optical reflecting surface with irradiation light in substantially the same direction as the propagation direction of the longitudinal vibration;
A light receiving surface that receives reflected light reflected by the optical reflection surface,
Visualizing the longitudinal vibration by expanding the longitudinal vibration propagating in the solid on the light receiving surface using the flexural vibration ,
The optical reflecting surface is a partially reflecting mirror;
A plurality of the partial reflection mirrors are provided in the direction of propagation of the longitudinal vibration, and the reflection mirror surface is disposed at a predetermined angle with respect to the propagation direction,
The light source irradiates the plurality of partial reflection mirrors with irradiation light in substantially the same direction as the direction in which the longitudinal vibration propagates,
The light receiving surface receives a plurality of reflected lights reflected by the plurality of partial reflecting mirrors,
An apparatus for visualizing longitudinal vibration in a solid, wherein the amplitude distribution of the longitudinal vibration propagating in the solid is visualized.

To solid that propagates longitudinal vibration,
Extending in substantially the same direction as the wavefront direction of the longitudinal vibration propagating in the solid, fixing the optical reflecting surface so as to be able to bend and vibrate,
Irradiating the optical reflecting surface with irradiation light from substantially the same direction as the direction in which the longitudinal vibration propagates,
By receiving the reflected light reflected on the optical reflecting surface by the light receiving surface,
Visualizing the longitudinal vibration by expanding the longitudinal vibration propagating in the solid on the light receiving surface using the flexural vibration,
The optical reflecting surface is a partially reflecting mirror;
A plurality of the partial reflection mirrors are provided in the direction in which the longitudinal vibration propagates, and the reflection mirror surface is inclined at a predetermined angle with respect to the propagation direction.
Irradiating the plurality of partial reflection mirrors with irradiation light from substantially the same direction as the propagation direction of the longitudinal vibration,
The light receiving surface receives a plurality of reflected lights reflected by the plurality of partial reflecting mirrors,
A method of visualizing longitudinal vibration in a solid, wherein the amplitude distribution of the longitudinal vibration propagating in the solid is visualized.

The said irradiation light is visible light, The apparatus which visualizes the longitudinal vibration in the solid of Claim 1 characterized by the above-mentioned.

The method of visualizing longitudinal vibration in a solid according to claim 2 , wherein the irradiation light is visible light .