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るので、その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。

» 展開がエラーで止まってしまう場合は…

なお、Linux® 等をご使用で、右クリックメニューから展開するとファイル名が文字化けしてしまう場合は、 コマンドライン端末でZIPファイルのある場所まで cd した上で「 unzip -O cp932 ZIPファイル名 」で展開してみてください。

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。 もしプログラムの内容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。

実行すると、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。

※ ここで入手したJava®実行環境は、ZIPファイルを展開した中の「 jre 」フォルダ内にダウンロードされ、このプログラムの実行のみに使用されます。PC全体に影響する形でインストールされる事はありません。

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。 そのままでのご利用はもちろん、言語の種類を問わず、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。

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。