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振動・波動

波紋プールシミュレーター

クリックで池に石を投げ入れよう。2次元波動方程式をリアルタイムで解き、波の干渉・回折・減衰を美しく可視化します。

有限差分法 (FDM) 2D波動方程式 クリック/ドラッグ対応 タッチ操作対応
パラメータ
プリセット
統計
波谷(青) ゼロ(白) 波頭(橙)
-A0+A
操作方法

🖱️ クリック — 波源を追加
🖱️ ドラッグ — 連続波紋を生成
📱 タップ/スワイプ — タッチ操作も対応
💡 プリセットで干渉縞を観察しよう

計算結果
0
アクティブ波源
0.00
最大振幅
60
FPS
0
ステップ数
リップル
t = 0.000 s 150 × 120
理論・主要公式

$$\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \nabla^2 u$$

2次元波動方程式:\(u\) 水面変位、\(c\) 波速 [m/s]、\(\nabla^2\) ラプラシアン

$$c = \sqrt{\frac{g\lambda}{2\pi}\tanh\left(\frac{2\pi h}{\lambda}\right)}$$

表面波の位相速度:\(\lambda\) 波長、\(h\) 水深

波紋プールシミュレーターとは

🙋
このシミュレーターで、クリックすると波紋が広がるのは面白いですね!これって、池に石を投げ込んだ時の波と同じ原理なんですか?
🎓
その通り!大まかに言うと、水面の上下動をコンピュータ上で再現しているんだ。実務では、音波や地震波の伝わり方を解析するCAEの基礎技術と同じ数式を使っているよ。上の「波速 c」のスライダーを動かすと、波の広がる速さが変わるから確認してみて。
🙋
え、そうなんですか!「減衰」ってパラメータもありますね。これは何を変えてるんですか?
🎓
減衰は、波のエネルギーが周囲に散ったり、摩擦で失われたりする度合いだ。例えば、現実の水の波はしだいに小さくなるよね。この値を大きくすると、波がすぐに消える。逆にゼロに近づけると、波がなかなか消えずに反射を繰り返す、理想的なプールになるんだ。シミュレーター右側の「減衰」バーを動かして違いを確かめてみよう。
🙋
「2波源」ボタンを押すと、きれいな縞模様ができます!これが干渉ってやつですか?CAEではどう使うんですか?
🎓
そう、これが干渉だ。2か所から出た波が重なり合って、強め合うところと弱め合うところができる。現場で多いのは、スピーカー2台から出る音が干渉して、場所によって音が大きく聞こえたり小さく聞こえたりする「音場解析」だね。このシミュレーターでパラメータを変えながら干渉パターンを見ることは、複数の音源や振動源がある製品の設計に直結する基礎体験なんだ。

よくある質問

はい、シミュレーターの設定パネルで「減衰係数」を調整できます。値を大きくすると波がすぐに収まり、小さくすると長く揺れ続けます。現実の水の粘性を模した挙動を試せます。
画面上で複数箇所をクリックまたはタップするだけで、それぞれの地点から波が発生します。同時に発生した波は干渉し合い、強め合う点や弱め合う点をリアルタイムで観察できます。
設定メニューから「波速」パラメータを変更可能です。数値を大きくすると波が速く伝わり、波長も伸びます。物理的な媒質の違い(浅い水と深い水など)をシミュレートする際に活用ください。
2次元波動方程式に減衰項を加えたモデルを使用しており、波の干渉・回折・減衰を定性的に再現します。ただし、風や水深変化などの複雑な要素は省略しているため、教育的な可視化ツールとしてご利用ください。

実世界での応用

室内音響・騒音解析:コンサートホールやスタジオの設計では、壁や天井での音波の反射・干渉をシミュレーションし、音の響きや雑音の伝わり方を予測します。このツールで見る干渉縞は、音の「うなり」や「定在波」の2次元版と考えられます。

マイクロフォンやスピーカーのアレイ設計:複数のマイクやスピーカーを配置したとき、特定の方向からの音を強調したり、逆にノイズを打ち消したりする技術(ビームフォーミング)の基礎原理は、波の干渉です。シミュレーターで波源を複数置く操作はその基礎体験です。

地震波伝播解析:地盤中を伝わる地震波(表面波)のシミュレーションにも同様の波動方程式が用いられます。地盤の不均質性(波速cの違い)が波の伝わり方にどう影響するかを調べ、建物の耐震設計に役立てます。

流体表面波のシミュレーション:船舶が作る波や、沿岸域での波浪の伝播を予測する際にも応用されます。より複雑な方程式の基礎となるため、このようなシンプルな2Dシミュレーターで原理を理解することは重要です。

よくある誤解と注意点

このシミュレーターを使い始めるとき、いくつか勘違いしやすいポイントがあるよ。まず、「波速c」を大きくしすぎるとシミュレーションが発散(数値が爆発)してしまうことがある。これは、CFL条件という制約を破ってしまうからだ。大まかに言うと、波が1ステップで進む距離が、計算格子の間隔を超えないようにしないと、物理的に不自然な結果になるんだ。例えば、格子間隔が1で波速cを100にもすると、たちまち計算が破綻する。実務のCAEソフトも内部でこの条件をチェックしているけど、このツールでは自分で調整する必要があることを覚えておこう。

次に、「減衰」の設定。これをゼロに近づけると波が永遠に揺れ続ける理想的な系になるが、現実のほとんどの現象、例えば建築物の振動や音響では、必ず何らかの減衰(制振)が存在する。減衰を無視した設計は共振による破壊を招くリスクがある。逆に、減衰を大きくしすぎると現象の本質である干渉パターンが観察しにくくなる。バランスが大事だね。

最後に、このシミュレーションは「線形」の波動方程式が基礎だ。つまり、波の高さが大きくなっても波速が変わらないし、波同士がぶつかってもそのまま素通りする(非線形効果がない)。実際の大きな波(例えば津波)や、ある種の光学現象では非線形性が重要になるけど、まずはこの線形モデルで基本を押さえることが全てのスタート地点だ。

使い方ガイド

  1. 波速パラメータ(sl-speed)を0.1~1.0の範囲で調整し、波の伝播速度を設定します。プール内での音速シミュレーションでは0.5m/sを基準値として使用してください
  2. 減衰係数(sl-damp)を0.90~0.99に設定して、波のエネルギー損失を制御します。実水シミュレーションでは0.95推奨値です
  3. インパルス強度(sl-impulse)で初期波動エネルギーを1~10の範囲で指定し、プール画面をクリックして複数波源を発生させます
  4. FPS表示とステップ数カウンタでシミュレーション進行状況を監視し、最大振幅値から波の干渉状況を判定します

具体的な計算例

直径2.0mの円形プールで中央から波を発生させた場合:波速0.5、減衰0.95、インパルス5設定時、初期振幅A₀=8mmの波は、時間ステップ150で半径0.75mまで伝播し、プール端部での反射により干渉パターンが形成されます。2波源同時発生(波源間隔0.5m)では、60ステップで波長λ=0.3mの定常波が観測され、最大振幅は12mmに達します

実務での注意点

  1. 音響空間の反響計算では減衰値を0.92以下に設定し、壁面での吸収損失を考慮してください。コンクリート壁の場合は0.88相当です
  2. 複数波源による干渉評価時は、アクティブ波源数が3個を超えるとCPU負荷が増加するため、FPS低下時はステップ数を削減して再計算してください
  3. 波速パラメータ0.1未満ではシミュレーション数値不安定が生じ、振幅発散の原因となるため使用禁止です
  4. 実験データ検証時は最大振幅トレンドをCSVエクスポートし、2D波動方程式∂²u/∂t²=c²∇²uの数値解との比較を実施してください