乱雑な密度分布における波のシミュレーション

このVCSSLプログラムは、乱雑な密度分布の媒質中を、波が伝播する様子をシミュレーションします。 密度境界で波が複雑に反射・屈折し、先端部が急速にエネルギーを失いながら進行する様子が見られます。

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使用方法

ダウンロードと展開（解凍）

まず、PC（スマホは未対応）で上の画面の「 ダウンロード 」ボタンを押してください。 するとZIP形式で圧縮されたファイルがダウンロードされます。

Microsoft® Windows® をご使用の方は、ここでまずZIPファイルを右クリックし、「プロパティ」を選んで開かれる画面で、 下の方にあるセキュリティ項目の「許可する」にチェックを入れて「OK」で閉じてください。 これを行わないと、ZIP展開やソフト起動時に、警告メッセージが出て展開完了/起動できない場合があります。

その後、ZIPファイルを右クリックして「すべて展開」や「ここに展開」などで展開（解凍）してください。 展開が成功すると、ZIPファイルと同じ名前のフォルダができ、その中にZIPファイルの中身が入っています。

プログラムの起動

Microsoft® Windows® をご使用の場合

上記の通りにZIPファイルを展開したフォルダ内にある、 「 VCSSL.bat（種類はバッチファイル） 」をダブルクリック実行してください。 もしプログラムを書き変えながら使いたい場合は、代わりに「 VCSSL_Editor.bat 」を実行してください。

正常に起動できると、最初にメモリー使用量や、（必要な場合のみ）Java®実行環境を自動で入手するか※ 等を尋ねられるので、適時答えると、プログラムが起動します。2回目以降はすぐに起動します。

Linux 等やその他のOSをご使用の場合

ZIPファイルを展開したフォルダ内へコマンドライン端末で cd して、以下の通り入力して実行してください：

» javaコマンドが使用できない等のエラーが表示される場合は…

起動後の操作方法

起動すると、ウィンドウ上に画面が表示され、乱雑な高密度媒質を通過する様子がアニメーションで見られます。

画面ウィンドウ上では、下記のマウス操作を行えます。

• 左ドラッグ … 視点の回転
• 右ドラッグ … 視点の平行移動
• ホイールスクロール … 拡大/縮小

密度分布の変更

密度分布は、画像ファイル 「 density.png 」 として描いたものを読み込むようになっています。実際にこのシミュレーションで用いているのは以下の画像です：

この通り、乱雑な形状が描かれています。この画像ファイルの内容を描きかえる事により、自由な密度分布に設定できます。 画像ファイルのピクセルごとの明るさが、その点の媒質密度に対応します。 具体的には、暗いほど密度が重く、明るいほど軽くなります。

パラメータの変更

波に関する各種パラメータは、プログラムのコードの先頭領域にまとめて記載されています。 それらの値を書き換えると、色々と条件を変えてシミュレーションを楽しめます。

シミュレーションの題材解説

このプログラムでは、乱雑な密度分布の媒質を、波が通過する様子をシミュレーションしています。 ここでは、その際に生じる現象について、簡単に考察してみましょう。

乱雑な密度分布

上でも述べましたが、このシミュレーションで用いた媒質の密度分布は、以下のPNG形式画像ファイルとして読み込んでいます。

上記の図の、ピクセルごとの明度情報が、その点の密度分布に対応します。 暗い部分ほど密度が重く、明るい部分ほど軽くなります。

上図の通り、このシミュレーションの媒質は、 乱雑な（でたらめな）形状の細かい領域が組み合わさったような模様となっており、各領域の密度も乱雑です。 このような分布は、ミクロスケールのものでは多結晶、マクロスケールのものでは岩石などに見られます。

このシミュレーションを実行した様子が下図です。

上図において、波は左から右へ入射しています。最初はまとまった（パルス）波が入射したにもかかわらず、ばらけながら進んでいる様子が見て取れます。

もし密度分布が一様であれば、理想的な（線形な）波は、入射時の形のまま、ばらけずに進行します。

しかし乱雑な密度分布の中では、波は密度境界で複雑に反射・屈折を繰り返し、ばらけながら進行します。 結果、波の先端部は急速にエネルギーを失いながら進みます。

コード解説

このプログラムのコードは、プログラミング言語VCSSLで記述されています。

実は、コード内容は以下のページのプログラムと全く同じで、 密度分布を設定する画像ファイル（ density.png ）が異なるだけです。 モデルやシミュレーション方法、コードなどについての詳しい解説は、以下のページをご参照下さい。

• 波の屈折のシミュレーション

ここでは、コード全体のみを掲載しておきます。

ライセンス

このVCSSL/Vnanoコード（ 拡張子が「.vcssl」や「.vnano」のファイル ）は実質的な著作権フリー（パブリックドメイン) である CC0 の状態で公開しています※。 記事中にC言語/C++/Java言語などでのサンプルコードが掲載されいてる場合は、それらについても同様です。 そのままでのご利用はもちろん、改造や流用などもご自由に行ってください。

※ ただし、このコードの配布フォルダ内には、ダウンロード後すぐに実行できるように、 VCSSLの実行環境も同梱されており、そのライセンス文書は「 License 」フォルダ内に同梱されています （要約すると、商用・非商用問わず自由に使用できますが、使用の結果に対して開発元は一切の責任を負いません、といった具合の内容です）。 配布フォルダ内の各構成物の一覧やライセンスについては「 ReadMe_使用方法_必ずお読みください.txt 」をご参照ください。

※ Vnano の実行環境については、別途スクリプトエンジンのソースコードも一般公開しており、 何らかのソフトウェア内に組み込んでご利用いただく事も可能です。詳細はこちらをご参照ください。

この記事中の商標などについて

• OracleとJavaは、Oracle Corporation 及びその子会社、関連会社の米国及びその他の国における登録商標です。文中の社名、商品名等は各社の商標または登録商標である場合があります。
• Windows は、米国 Microsoft Corporation の米国およびその他の国における登録商標です。この記事は独立著作物であり、Microsoft Corporation と関連のある、もしくはスポンサーを受けるものではありません。
• Linux は、Linus Torvalds 氏の米国およびその他の国における商標または登録商標です。
• その他、文中に使用されている商標は、その商標を保持する各社の各国における商標または登録商標です。