音環境下での共鳴器回転現象の物理的メカニズムの探求

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青少年科学教室などで、ドボルザークの「音反動車」が展示されることがある。しかし、音反動車が回転する仕組みについて、音響放射圧や気流説などがあるが、納得いく説明はないように思える。そこで、展示用にどのような形状の容器が適切なのか、周波数はどの程度が良いのかなど、また、回転メカニズムの探求を文献調査や実験を通して駆動力、ストローハル数などを調べた。その結果を以下に示す。1 ピンポン球の穴を半分塞ぎ、側面に穴を配置し、球内下端に錘をつけ、ブロワー気流で浮揚させたところ、自発共鳴により、塞いだ方向に回転し、穴の逆半分を塞ぐと逆回転することを発見した。2 ヘルムホルツ共鳴器の理論式からの共鳴周波数は開口端補正の見積もりが困難で、必ずしも実験と一致しない。これには集中定数回路での類推に幾つかの補正が必要で、理論の適用条件を満たす実験の開発が必要である。ピンポン球が実験と理論の一致が比較的良い。展示にはペットボトルが簡易で印象的である。3 重力の影響を低減するため、僅かに傾けたエアテーブル上で、ペットボトルを振子の錘として、ボトルを音波共鳴させると、振子は僅かに振れた。一例として、117.5dB, 1954.4Hzで駆動力は約108μNと微小であった。4 音波の強さを連続して加速的に増加することにより、ボトルの回転が速まった。5 サーミスター型流速計で共鳴時のボトルの口端面で流速を測定したが、気流の出入の非対称性に依り駆動力が発生するという、気流説を裏付けるだけのデータは得られなかった。一例として、ボトル口の直径2.1㎝での共鳴時のストローハル数は1.9であった。この数値は検討を要し、PIV等での可視化実験との比較が必要である。6 ブロワー気流に依る音波共鳴で最大音圧を得るためには、ボトルの口端面と気流流出方向との間に、ボトルによって一定の角度が存在することが分かった。