音の屈折現象を利用した「音の屈折レンズ」

前回、「音のフレネルレンズ」というものをご紹介しましたが、これはフレネルレンズとは言っても、音の屈折現象を利用したものではなくて、回折現象を利用したものとご説明しました。今回、ご紹介するのは、音の屈折現象を利用して、焦点に音が集まって聞こえるようになる「音の屈折レンズ」です。
この写真は、東京の八王子市にある科学館にある「音の屈折レンズ」です。（現在展示されているかは不明）大きな風船（ラジオゾンデ用の風船）の中に炭酸ガスが詰められていて、風船を挟んで声を出してしゃべると、反対側に音が集まっているのが体験できます。これは、炭酸ガスの風船で、音が屈折しているからです。
同じような展示としては、右の写真のように国立科学博物館の２階でも展示されていましたが、現在はありません。
音は空気中を　約 340m/秒（１気圧/気温15℃の場合）の速さで進みますが、空気よりも比重の重い炭酸ガスなどの中を進むときは、速さが遅くなります。そのために、炭酸ガスと空気の境界部分で音の進む角度が変化します。これが屈折という現象です。
光も、空気中から密度の違うガラスの中に入るときに、進むスピードが変わるので、屈折するのです。
音の屈折について、このサイトでFlash Movieで紹介されています。

フレネルレンズというレンズ

フレネルレンズというレンズがあります。（写真:敦賀海上保安庁）
これは、灯台などで光を遠くまで届くように集光させるためにレンズが使われているのですが、口径が大きいので通常のレンズのように作るととても重くなってしまい、光の透過ロスも大きくなるので、写真のように三角形のプリズムのような形のリングを組み合わせて大口径レンズの働きを持たせたレンズです。
最近は透明の薄いシートに、このフレネルレンズが加工されているルーペなどもあり、老眼になってきた私も時々重宝してます。
このフレネルという名前は、発明者のフランスの物理学者の名前が由来です。このフレネルレンズの仕組みは、右図のように、通常の屈折レンズをドーナツ状に切り、厚さの中央部分をカットして、屈折に有効な部分だけを残した形をしたものです。そのため、どうしても同心円の線が出てしまうので精密なレンズとしては使えません。

このフレネルという名前が付いた物で、科学館などの展示で「音のフレネルレンズ」（第７回「サイエンス展示・実験ショーアイディアコンテスト」入賞作品）という物があります。
これは、フレネルレンズのように同心円のリング状の板を図のように並べた物です。
この「音のフレネルレンズ」の反対側に特定の周波数のスピーカーを置いて音を出すと、計画された焦点位置に音がピンポイントで集まっているのが聞こえます。
この「音のフレネルレンズ」の設計にあたっては、使用する音の周波数や焦点位置を決めて、正確に同心円のリング状の板と隙間の部分の大きさを決めて作る必要があります。
しかしこの「音のフレネルレンズ」は、見た目は同心円状の板で構成されているので光学フレネルレンズと似ていますが、光学の屈折ではなくて、リング状の板の隙間を抜けてくる音の回折現象を利用して焦点を結ばせています。ですから、フレネルレンズとは言っても、光学レンズのフレネルレンズとは全く原理も違います。
先日フレネルレンズを調べていたところ、「光学レンズ」にも回折を利用した「回折レンズ」というものがあるそうです。私は初めて知りました。
この回折レンズはカメラの多層なレンズ群の中に組み込まれていて、レンズの色収差などを軽減するために使われるそうで、光学レンズに光の波長程度の細かいリング状のスジが加工されているそうです。
その後いろいろと調べてみたら、キャノンで開発した製品でした。
つまり、屈折レンズでは必ず出てくる色収差による焦点ズレを、回折レンズを使って、全く逆の色による焦点ズレを作って、そのようなレンズを重ねることによって、完全に色収差が無いレンズになっているそうです。
詳しい話は、このキャノンのページをご覧ください。
ちょっと難しい話になってしまいますが、回折現象はガラスの表面に細かい溝がいくつも刻まれている状態なのですが、その溝の感覚で、色のズレを自由に調整できるのです。
ただ、屈折レンズのように拡大縮小は出来ないので、拡大縮小の働きは屈折レンズに任せて、最後の色収差の調整部分に、回折レンズを交えて、補正するということのようです。

９月にこのブログを開いてから40件目の投稿

今年の９月に、なんとなくGooでブログを開いてから、今日で約３ヶ月半、この記事を含めて４０件目の投稿になります。
最初はかなりのペースで書いていたのですが、最近は忙しくなってきたことやネタが少なくなって来た事もあって、めっきり投稿の数が減っていますが、来年も、なんとか継続して科学ネタを投稿してゆきたいと思っています。
閲覧記録を見ると、意外とこのブログを読みに来てくださる方もいらっしゃるようなので励みになりますね。
ただ、中身があまりないので、もっと勉強しなくては・・と思います。

音の伝わる早さを体験する展示「１と２の消息」

この展示も前回の記事でご紹介した09年秋に羽田空港で行われていた「空気の港」というイベントで展示されていた作品です。
羽田空港は第一ターミナルと第二ターミナルという二つのターミナルがあり、500メートルほど離れています。
その間が真っ直ぐな通路となっていて、動く歩道が通っているのですが、この作品は、その長い通路の第一ターミナル側と第二ターミナル側とに１台ずつスピーカー装置が対向する向きに設置されています。
このスピーカー装置は高さ1.5メートルぐらいの位置に、超指向性スピーカーが設置されていて、ちょうど動く歩道にいる人の耳の高さに合わせてあり、動く歩道に乗っていると第一ターミナル側のスピーカー装置からは「ターミナルワン」、また反対側の第二ターミナル側のスピーカー装置からは「ターミナルツゥ」という声が両方のスピーカーから同時に数秒間隔で流れてます。
　　
そのため、動く歩道に乗って動いていると、最初は「ターミナルワン」という声が聞こえていて、反対側のスピーカーの音は1秒ちょっと（音の速さは秒速約340メートルなので）遅れて「ターミナルツゥ」と小さい音で聞こえるのです。
動く歩道で移動してゆくにつれて、その遅れは少なくなって、真ん中に来ると、その二つの声が同時に聞こえるようになり、また進むにつれて、ターミナルワンが遅れて聞こえるようになってくるという物です。
効果はどうだった？　と聞かれると・・・音が小さくなって聞こえにくくなって来るのが強くて、よく注意していると効果は感じましたが、地下道という音の反響などもあったりで、ちょっと効果はイマイチでしたが、考え方にはとても共感しました。
屋外などで、もっと大きな音でやると面白いかと思います。

この「空気の港」というイベントは、なぜか基本的に製作者名が書かれていないので、どなたの作品なのか分かりません。もしご存知の方がいらしたら教えて頂ければありがたいです。

テクノロジーアートの鈴木康広さんの作品「まばたきの葉」

先日、東京の羽田空港のロビーなどのパブリックスペースを使って「空気の港」という「テクノロジーアート」の作家19人の作品を集めた展覧会が開催されていました。
たまたま、このときに友人を見送りに羽田に行ったので、見ることができたのできて、ラッキーでしたが、いろいろな作家さんが参加されていました。
その中の一つ、鈴木康広さんという作家さんの「まばたきの葉」という作品です。羽田空港ターミナルの大きな吹き抜けの空間に設置されていて、多くの人に注目されていまし。
この鈴木康広さんはいろいろな面白い作品を発表されています。。
この作品はテクノロジーアートとは言っても、コンピュータなどが使われているのではなく、とてもシンプルな作品で、葉っぱの形をした紙に、片面に開いた目が、反対側には閉じた目がプリントされています。

この葉っぱの紙を中央の白い煙突のようなパイプの根元のスリットに差し込むと、筒の根元部分に内蔵されているブロアーの空気で吹き上げられて、上からふって降りてくるのです。
その時に、このような紙片が空気の中を落ちる時に「カルマン渦」の現象で表裏がクルクルと変わりながら落ちてくるので、葉っぱの紙片に描いてある目がまばたきしているように見えるのです。
こういう、物理の現象を何気なく利用してアートにしてしまう鈴木康広さんという人は凄いですね。
とてもシンプルで、面白い作品なので、子供たちも喜んで、たくさんの葉っぱを集めては、根元のスリットに流し込んで、降ってくる葉っぱを楽しんでいました。もちろん、子供たちだけではなく、私や、多くの大人も楽しんで葉っぱを降らせていました。

※追記：
この記事について、当初、私の調査不足と勘違いで「岩井俊雄」さんの作品と紹介してしまったのですが、このサイトをご覧になった方から「鈴木康広」さんの作品とのご指摘を頂きまして、直ちに訂正させて頂きました。
《鈴木康広さんのホームページはこちら》
鈴木康広さんはじめ関係者の皆様に、ご迷惑をお掛けして申し訳けありませんでした。