リサジュー曲線シミュレーター 戻る
振動・波動

リサジュー曲線シミュレーター

2つの直交する正弦振動を合成し、美しいリサジュー図形の形成過程をリアルタイムCanvasアニメーションで観察。オシロスコープ波形・位相差スイープ・周波数比マップを搭載。

:
位相差 δ π/2
X振幅 Ax 1.00
Y振幅 Ay 1.00
アニメーション速度 1.0x
軌跡の長さ 600
周波数比
1 : 2
位相差
90.0°
X軸 節点数
2
Y軸 節点数
1
X(t) = Ax · sin(fx · t)
Y(t) = Ay · sin(fy · t + δ)

リサジュー曲線(Lissajous figure)は、互いに直交する2つの単振動を合成したときに描かれる平面曲線です。パラメトリック方程式で表すと:

$$x(t) = A_x \sin(f_x\, t), \quad y(t) = A_y \sin(f_y\, t + \delta)$$

ここで $f_x, f_y$ は各軸の角周波数、$A_x, A_y$ は振幅、$\delta$ は位相差です。

曲線が閉曲線になる条件は周波数比が有理数であることです:

$$\frac{f_y}{f_x} = \frac{p}{q} \quad (p, q \text{ は互いに素な自然数})$$

このとき曲線は周期 $T = 2\pi q / f_x$ で閉じます。X軸境界への接触回数 $n_x$ と Y軸境界への接触回数 $n_y$ の比は:

$$\frac{n_x}{n_y} = \frac{f_y}{f_x}$$

特に $f_x = f_y$ のとき(1:1比)、リサジュー曲線は次の楕円方程式と一致します:

$$\frac{x^2}{A_x^2} - \frac{2xy\cos\delta}{A_x A_y} + \frac{y^2}{A_y^2} = \sin^2\!\delta$$

$\delta = 0$ または $\pi$ で直線に退化し、$\delta = \pi/2$ かつ $A_x = A_y$ で完全な円になります。

対話で学ぶ — リサジュー曲線
🧑‍🎓
リサジュー曲線ってきれいな図形だなとは思うんですけど、実際の工学でどう使うんですか?
🎓
一番身近なのはオシロスコープのX-Yモードだね。2つの信号をそれぞれX軸・Y軸に入力すると、リサジュー図形が現れる。その形を見るだけで「2信号の周波数比はいくらか」「位相はどれだけずれているか」が一瞬でわかる。アナログ時代のエンジニアはこれを日常的に使ってたんだ。
🧑‍🎓
1:1の周波数比で位相差を変えると形が変わりますよね。δ = 0°で直線、90°で円、その中間で楕円になるのはなぜですか?
🎓
δ = 0° は「x と y が完全に同期」してる状態で、x 増えたら y も増える、だから 45° の直線。δ = 90° は「y が x より1/4周期先に行く」状態。実はこのとき x² + y² = A² という円の方程式になるんだ。中間の δ はその中間なので楕円。数式で確認すると $\frac{x^2}{A^2} - \frac{2xy\cos\delta}{A^2} + \frac{y^2}{A^2} = \sin^2\delta$ という楕円方程式が出てくる。
🧑‍🎓
1:2の比だと8の字になりますね。シミュレーターで「X軸節点数 = 2、Y軸節点数 = 1」と表示されてますが、これは何ですか?
🎓
曲線が左端・右端の境界に「触れる回数」と「上端・下端に触れる回数」だよ。1:2 の図形をよく見ると、横の壁には2回、縦の壁には1回接触している。この比が $n_x : n_y = f_y : f_x$ になる、つまり周波数比と逆になるのが面白いポイント。未知の曲線が描かれたとき、節点数を数えれば逆算で周波数比がわかる。
🧑‍🎓
位相差スイープのタブが面白いです。位相が変わると図形がぐにゅっと変形していくのが見えます。これってδの連続的な変化を一覧にしてる?
🎓
そう。0°から180°まで等間隔に並べた20枚を一度に表示してる。実はδとδ+180°は上下反転の関係だから、0〜180°の半区間を見るだけで全形状が把握できる。オシロスコープで基準信号の位相をゆっくりずらしたとき、画面の図形が「回転」するように見える現象も、これで直感的に理解できるよ。
🧑‍🎓
回転機械の診断にも使うと聞きましたが、どういう仕組みですか?
🎓
軸受の近くに 90° 方向の変位センサー2本を取り付けて、それぞれの出力を X・Y に入力するんだ。正常な回転軸は(不釣合いがあれば)きれいな楕円を描く。ところがミスアライメントがあると 8 の字になったり、軸のひびが入ると「バナナ形」に崩れたりする。この軌道形状を「オービットプロット」と呼んで、工場の予知保全で現役で使われてる手法だよ。
🧑‍🎓
3:5みたいに複雑な比だと軌跡がかなりごちゃごちゃに見えますが、それでも理論的には閉じた曲線なんですか?
🎓
ちゃんと閉じる。3:5(既約)なら $q = 5$ だから $2\pi \times 5 = 10\pi$ 後に元の点に戻ってくる。複雑に見えるのは閉じるまでに「ストローク」を何度も繰り返すから。逆に $\sqrt{2} : 1$ みたいな無理数比だと永遠に閉じなくて、十分時間を経たら矩形領域を隙間なく埋め尽くすエルゴード軌道になる。シミュレーターで軌跡を長くして確かめてみよう。
よくある質問
フランスの物理学者ジュール・アントワーヌ・リサジュー(Jules Antoine Lissajous, 1822〜1880)が1857年頃に発見・体系化しました。彼は音叉2本を直角に配置し、その振動を光学的に合成して図形を観察する装置を作製しました。名前の日本語表記は「リサジュー」が正式ですが「リサージュ」とも表記されます。現代ではオシロスコープのXYモードで同様の観察が手軽にできます。
同周波数($f_x = f_y$)の場合、楕円の形状から $\sin\delta = b/a$ で求められます。$a$ はX軸方向の最大振れ幅の半値(楕円の長軸半長)、$b$ はX = 0 でのY値(楕円がY軸と交差する位置)です。この方法は「楕円法」と呼ばれ、プローブの位相補正確認などに今でも使われます。本シミュレーターで 1:1 の周波数比を選んで楕円の形状変化を確認できます。
1.5:1 = 3:2 と同じ有理数比なので閉じた曲線になります。一般に $f_y/f_x$ が有理数(整数比)であれば閉曲線です。無理数比($\sqrt{2}$, $\pi$ など)のときは軌道が閉じず、十分時間が経つと矩形領域を密に覆うエルゴード的な開曲線になります。実際の電気回路では2つの発振器の周波数が微妙にずれているため、「ゆっくり回転するリサジュー図形」として観測されることがあります。
オービットプロットは基本的にリサジュー図形の一種で、回転数と同じ周波数(1X)成分が支配的なら楕円形の軌道になります。ミスアライメントや不釣合いが大きいと楕円が崩れ、2倍周波数成分(2X)の存在で8の字型になることがあります。リサジュー曲線のような理想的な数式とは異なり、実際のオービットには複数の周波数成分が混在するため、その解釈にはFFT解析と組み合わせた総合的な診断が必要です。
多自由度振動系の過渡応答解析で、2つの節点の変位時刻歴をXY表示するとリサジュー的な軌道が現れます。例えば2自由度系で固有周波数の比が 1:2 に近い場合、変位応答のXYプロットは8の字型に近い軌道を描きます。また流体-構造連成解析(FSI)で2方向の変位が連成振動するケースや、地震応答解析で水平2方向の応答を可視化する際にも使われます。
物理的意味はなく、時間経過を視覚化するための表示上の工夫です。色相(Hue)を時刻 $t$ に比例させることで、軌跡の「古い部分」と「新しい部分」が区別でき、点がどの方向に動いているかが直感的にわかります。閉曲線の場合、十分な時間が経つと始点と終点が同じ色で合流し、「閉じた」ことが確認できます。