Whistle Physics (Dansk)

Lad os se på den specifikke type fløjte vist i spørgsmålet.

Når vi fløjter, er luft tvunget til at skynde sig ud gennem den smalle åbning. Luftstrømmen i midten af strømmen er betydeligt hurtigere end naboluften tæt på hovedstrømmen. Hvis luftstrømmen let afbøjes (ustabil), genereres hvirvler. Hvis det samme sker gentagne gange, genereres mange flere hvirvler med lignende egenskaber. Disse hvirvler får lufttrykket til at variere periodisk, så der produceres lydbølge. Frekvensen af denne lydbølge er relateret til den hastighed, hvormed vortexerne kaster. Da processen er ret kaotisk, produceres mange forskellige hastigheder eller frekvenser ad gangen.

Som du kan se på billedet, er strømmen opdelt i to dele. Den ene del kommer ud af åbningen, og den anden del forbliver indeni. Lydbølge fanget inde vil forstyrre hinanden. Hvis lydfrekvensen ikke stemmer overens med nogen af kammerets resonansfrekvenser, interfererer bølgerne destruktivt og forsvinder hurtigt. Men hvis frekvensen matcher resonansfrekvensen i hulrummet, vil bølgens amplitude øge overarbejde. Stigningshastigheden falder, når amplituden bygger op. Til sidst når den en stabil tilstand. På dette tidspunkt er lydbølgens amplitude stærk nok til, at lyden bliver meget hørbar. Lydbølgen kommer ud af hullet, bliver spredt stærkt og når til sidst vores ører.

Nogle fløjter har en lille kugle, der hopper rundt inde i hulrummet. Bolden ændrer hulrumsformen og samtidig resonansfrekvenserne. Således giver det os mulighed for at høre et bredere spektrum af lydfrekvens.

Kommentarer

• ” Hvis luften stream afbøjes let (ustabil), hvirvelbølger genereres. Hvis det samme sker gentagne gange, genereres mange flere hvirvler med lignende egenskaber. Disse hvirvler får lufttrykket til at variere på en periodisk måde, så lydbølgen produceres. ” +1; Dette er nøgledelen, jeg ‘ spørger om. Kan du afklare, hvordan dette sker for et accepteret svar? Er dette relateret til vortex shedding? Jeg kan ‘ ikke forestille mig præcis, hvordan en periodisk ændring er indstillet.
• Ja, det er en slags vortex-udgydelse. Måske er det det, du leder efter? www2.ibp.fraunhofer.de/akustik/ma/pipesound/animEdgeTone.mpeg
• Dette link er nu brudt; stillbilleder kan stadig findes her . Ved du, hvor videoen er?
• Dette var den generelt accepterede forklaring, før det var muligt at måle lydproducerende systems opførsel i tilstrækkelig detaljering, men se newt.phys.unsw.edu.au/music/people/publications/… for en matematisk behandling af den aktuelle forklaring – eller læs mit svar nedenfor for en ikke-matematisk version.
• Er det muligt at måle strømningshastigheden inde i fløjten med mikrofon?

Disse ting fungerer normalt ved feedback, der forårsager trykændringer, som derefter får den oprindelige strøm til at blive omdirigeret, hvilket derefter har den modsatte effekt på tryk osv.

Dette er lettere at tænke på, når man overvejer en almindelig kuglefløjte, som atletiske trænere og dommere normalt har. Den del, du blæser i, har en tynd slids, som får et laminært ark af luft til at blæse over en åbning, men som derefter fortsætter ind i den runde del. Der er dog ingen anden åbning i den runde del, så til sidst opbygges trykket, og dette tryk “bryder igennem” det laminære ark, der slags “dækker” åbningen. Dette gør det muligt for trykket at frigøre sig gennem åbningen, som også omdirigerer luften fra dysen for ikke at gå ind i den runde del. Trykket i fløjten falder derefter, det laminære ark kan omformes eller genoptage dets oprindelige ikke-omdirigerede strøm, hvilket får trykket til at opbygges igen osv.

Kuglen inde i fløjten er ikke “t Det er nødvendigt med henblik på at lave lyd. Det bryder periodisk op ovenstående proces og modulerer effektivt fløjtefrekvensen med en meget lavere frekvens.Jeg er ikke sikker på, hvorfor netop dette gøres, men jeg synes, at lyden med bolden er mere interessant eller opmærksomhed bliver eller lettere for mennesker at lokalisere.

Kommentarer

• Jeg tror, jeg havde vidst dette på et tidspunkt, men havde glemt det. Tak for din påmindelse. Dette er ikke ‘ t den slags fløjte, jeg specifikt spurgte om, men +1 for at hjælpe!

Der har været uendelig forvirring om, hvordan denne type fløjte virkelig fungerer. Hvis du undersøger strømningsmønsteret, ser du den slags hvirvelmønstre i dit billede, men det betyder ikke nødvendigvis hvirvlerne forårsager lyden. Faktisk er det omvendte – lyden forårsager hvirvlerne!

Den grundlæggende forklaring (som også gælder for orgelrør og musikinstrumenter som tinfløjte og blokfløjte) afhænger af Bernouillis princip. Det “Det er nemmere at tænke på at lave en lyd ved at blæse over den åbne ende af en flaske, fordi” rør “-delen af fløjten virkelig er den samme som flasken bøjet rundt 90 grader. Det vigtige er ikke, at du blæser “ind i røret”, men at du blæser “over hullet i slutningen af røret”.

Når du blæser over en flaske, er trykket i den bevægelige luft strøm reduceres, og noget luft “suges ud” af flasken i lavtryksluftstrømmen.

Den ekstra luft, der smelter sammen med luftstrømmen, bøjer imidlertid luftstrømmen væk fra flaskens munding, hvilket reducerer mængden af “sugning.”

Luften indeni flasken har en naturlig vibrationsfrekvens, som afhænger af flaskens størrelse og form. Denne vibration ophidses af den pludselige trykændring ved mundingen af flasken, og efter en halv cyklus af vibrationer virker den til at suge luft tilbage i flasken. Det trækker luftstrømmen, du blæser over flasken, tilbage mod flaskens munding, og cyklussen gentages.

Den kritiske parameter her er den tid, det tager den blæste luftstrøm at rejse over flaskens mund sammenlignet med tiden til en vibrationscyklus i luften inde i flasken. Hvis de to tidsintervaller har det rigtige forhold, kan svingningerne opbygges i amplitude. Dette forklarer, hvorfor hvis du blæser blidt (lav hastighed), producerer du slet ingen lyd, og hvis du gradvist blæser hårdere, begynder lyden pludselig. Afhængig af hele systemets geometri, kan lyden “springe” til en anden højere frekvens, hvis du blæser meget hårdt. Faktisk er det muligt at justere et orgelrør, så det successivt vil producere en lyd med 3 eller 4 forskellige stigninger, afhængigt af vindtrykket (og derfor lufthastigheden), der bruges til at blæse det.

Hvirvlerne er simpelthen biprodukter af den oscillerende luftstrøm, der rammer kanten af flaskemunden.

De “forkerte” forklaringer starter med den korrekte observation, at simpelthen at blæse en luftstråle gennem en dyse kan producere et mønster af hvirvler, som kan gentages med en bestemt frekvens. Men for geometrien og blæsetrykket i en typisk fløjte er frekvensen af det hvirvelmønster (hvis det overhovedet findes) meget forskellig fra frekvensen af lyden, der produceres af fløjten, og det er svært at opfinde en god grund til hvirvlerne skal forårsage lyden.

Luft i et kammer resonerer som en fjeder: Den har masse og springer tilbage, når den komprimeres eller dekomprimeres. Når der blæses luft over åbningen og lidt nedad, vil den skubbe luften nedad & forårsage en forstyrrelse, som vil medføre luften indeni for at begynde at resonere. Når den resonerer ned, afbøjer den luftstrømmen ned i åbningen og skubber luften mere ned. Når luften indeni springer tilbage, afbøjer den luftstrømmen opad, så den ikke længere skubber ned. Det trækker også luft væk indefra af Bernoulli-effekten og hjælper med at trække luften opad. Eventuelle dannede hvirvler er tilfældige.