Fyzika píšťalky

Zvažme konkrétní píšťalku typu uvedenou v otázce.

Když foukáme na píšťalku, je vzduch nucen vyřít ven úzkým otvorem. Tok vzduchu ve středu proudu je podstatně rychlejší než okolní vzduch v blízkosti hlavního proudu. Pokud je proud vzduchu snadno odkloněn (nestabilní), vytvářejí se víry. Pokud se stejná věc stane opakovaně, vygeneruje se mnohem více vírů s podobnými vlastnostmi. Tyto víry způsobují periodické změny tlaku vzduchu, takže se vytváří zvuková vlna. Frekvence této zvukové vlny souvisí s rychlostí, jakou jsou víry vylučovány. Jelikož je proces poměrně chaotický, produkuje se najednou mnoho různých rychlostí nebo frekvencí.

Jak vidíte na obrázku, proud je rozdělen na dvě části. Jedna část vycházející z otvoru a druhá část zůstává uvnitř. Zvuková vlna zachycená uvnitř se bude navzájem rušit. Pokud frekvence zvuku neodpovídá žádné rezonanční frekvenci komory, vlny budou destruktivně zasahovat a rychle zmizí. Pokud se však frekvence shoduje s rezonanční frekvencí dutiny, amplituda vlny se přesčas zvýší. Rychlost narůstající vůle klesá s rostoucí amplitudou. Nakonec dosáhne ustáleného stavu. V tomto okamžiku je amplituda zvukové vlny dostatečně silná, aby byl zvuk velmi slyšitelný. Zvuková vlna vychází z díry, silně se rozptýlí a nakonec zasáhne naše uši.

Některá píšťalky mají uvnitř dutiny malou kuličku. Koule mění tvar dutiny a současně rezonanční frekvence. Umožňuje nám tedy slyšet širší rozsah zvukové frekvence.

Komentáře

• “ Pokud je vzduch proud je snadno odkloněn (nestabilní), jsou generovány víry. Pokud se stejná věc stane opakovaně, vygeneruje se mnohem více vírů s podobnými vlastnostmi. Tyto víry způsobují periodické změny tlaku vzduchu, takže se vytváří zvuková vlna. “ +1; Toto je klíčová část, na kterou se ‚ ptám. Můžete objasnit, jak se to stane u přijaté odpovědi? Souvisí to s uvolňováním vírů? Neumím ‚ přesně určit, jak je nastavena periodická změna.
• Ano, jedná se o určitý druh víření. Možná to je to, co hledáte? www2.ibp.fraunhofer.de/akustik/ma/pipesound/animEdgeTone.mpeg
• Tento odkaz je nyní nefunkční; fotografie stále najdete zde . Víte, kde se video nachází?
• Toto bylo obecně přijímané vysvětlení, než bylo možné měřit chování systému produkujícího zvuk dostatečně podrobně, ale viz newt.phys.unsw.edu.au/music/people/publications/… pro matematické zpracování současného vysvětlení – nebo si přečtěte moji odpověď níže pro nematematickou verzi.
• Je možné měřit rychlost proudění uvnitř píšťaly pomocí mikrofonu?

Tyto věci obvykle fungují na základě zpětné vazby, která způsobuje změny tlaku, což pak vede k přesměrování původního toku, což má na tlak atd. opačný účinek.

Je jednodušší myslet na to, když uvažujete o společné píšťalce s míčem, jakou obvykle mají atletičtí trenéři a rozhodčí. Část, do které foukáte, má tenký otvor, který vytváří laminární vrstvu vzduchu přes otvor, ale která pak pokračuje dále do kulaté části. V kulaté části však není žádný další otvor, takže se nakonec tlak zvýší a tento tlak „prorazí“ laminární fólii, která druh „zakryje“ otvor. To umožňuje uvolnění tlaku otvorem, což také přesměruje vzduch z trysky tak, aby nešel do kulaté části. Tlak v píšťalce poté poklesne, laminární list se může znovu vytvořit nebo obnovit svůj původní nepřesměrovaný tok, což způsobí, že se tlak znovu zvýší atd.

Míč uvnitř píšťalky není nezbytné pro vytváření zvuku. Pravidelně rozbíjí výše uvedený proces a účinně moduluje frekvenci píšťalky na mnohem nižší frekvenci.„Nejsem si jistý, proč se to přesně děje, ale myslím si, že zvuk s míčem je pro lidi zajímavější, pozornost je pro ně snadnější a lokalizovatelnější.

Komentáře

• Myslím, že jsem to věděl v jednom okamžiku, ale zapomněl jsem. Děkuji za připomenutí. Toto není ‚ t druh píšťalky, na kterou jsem se konkrétně ptal, ale +1 za pomoc!

Došlo k nekonečnému zmatku o tom, jak tento typ píšťalky opravdu funguje. Pokud prozkoumáte tokový vzor, uvidíte na svém obrázku takové druhy vírových vzorů, ale to nutně nemusí znamenat, že víry způsobují zvuk. Opak je ve skutečnosti pravdivý – zvuk způsobuje víry!

Základní vysvětlení (které se vztahuje také na varhanní píšťaly a hudební nástroje, jako je píšťalka na plechovky a diktafon) závisí na Bernouilliho principu. Je jednodušší přemýšlet o tom, že vydáte zvuk vyfukováním přes otevřený konec láhve, protože „píšťalová“ část píšťalky je opravdu stejná jako láhev ohnutá o 90 stupňů. Důležité není to, že foukáte „do potrubí“, ale že foukáte „přes otvor na konci potrubí“.

Když foukáte přes láhev, tlak v pohybujícím se vzduchu proud je snížen a část vzduchu je „nasávána“ z láhve do nízkotlakého proudu vzduchu.

Nadbytečný vzduch, který přechází do proudu vzduchu, však ohýbá proud vzduchu od ústí láhve, což snižuje množství „sání“.

Vzduch uvnitř láhev má přirozenou frekvenci vibrací, která závisí na velikosti a tvaru lahve. Tato vibrace je vzrušena náhlou změnou tlaku v ústí lahve a po půl cyklu vibrací působí tak, že nasaje zpět vzduch do lahve. To táhne proud vzduchu, který foukáte přes láhev, zpět k ústí láhve a cyklus se opakuje.

Kritickým parametrem zde je doba, po kterou proudí vyfukovaný vzduch přes ústí láhve ve srovnání s dobou jednoho vibračního cyklu vzduchu uvnitř láhve. Pokud mají dva časové intervaly správný vztah, mohou oscilace narůst v amplitudě. To vysvětluje, proč pokud foukáte jemně (nízkou rychlostí), nevydáváte vůbec žádný zvuk a pokud postupně foukáte silněji, najednou se zvuk spustí. V závislosti na geometrii celého systému může při silném foukání zvuk „přeskočit“ na jinou vyšší frekvenci. Ve skutečnosti je možné nastavit varhanní píšťalu tak, aby postupně produkovala zvuk při 3 nebo 4 různých výškách, v závislosti na tlaku větru (a tedy rychlosti vzduchu) použitého k jeho foukání.

Víry jsou jednoduše vedlejšími produkty oscilačního proudu vzduchu, který naráží na okraj ústí láhve.

„Špatná“ vysvětlení vycházejí ze správného pozorování, že pouhé vyfukování paprsku vzduchu tryskou může vytvořit vzor vírů, které se mohou opakovat s určitou frekvencí. Ale pro geometrii a foukací tlak typické píšťalky se frekvence tohoto vírového vzoru (pokud vůbec existuje) velmi liší od frekvence zvuku produkovaného píšťalkou a je těžké vymyslet dobrý důvod, proč víry by měly způsobit zvuk.

Vzduch v komoře rezonuje jako pružina: Má hmotu a při stlačení nebo dekompresi odpruží. Když je vzduch vyfukován přes otvor a mírně dolů, bude tlačit vzduch dovnitř dolů & způsobit poruchu, která způsobí vzduch uvnitř, aby začal rezonovat. Jak rezonuje dolů, odvádí proud vzduchu dolů do otvoru a tlačí vzduch více dolů. Jak vzduch uvnitř pruží zpět, odvádí proud vzduchu nahoru, takže už netlačí dolů. Bernoulliho efekt také odvádí vzduch zevnitř a pomáhá tahat vzduch dovnitř. Jakékoli vytvořené víry jsou náhodné.