Whistle Physics

Laten we eens kijken naar het specifieke type fluitje dat in de vraag wordt getoond.

Als we op het fluitje blazen, wordt lucht gedwongen door de nauwe opening naar buiten te stromen. De luchtstroom in het midden van de stroom is aanzienlijk sneller dan de lucht in de buurt van de hoofdstroom. Als de luchtstroom gemakkelijk wordt afgebogen (onstabiel), ontstaan er vortexen. Als hetzelfde herhaaldelijk gebeurt, zullen veel meer vortexen met vergelijkbare eigenschappen worden gegenereerd. Deze vortexen zorgen ervoor dat de luchtdruk periodiek varieert, zodat er een geluidsgolf wordt geproduceerd. De frequentie van deze geluidsgolf is gerelateerd aan de snelheid waarmee de vortexen worden uitgestoten. Omdat het proces nogal chaotisch is, worden er veel verschillende snelheden of frequenties tegelijk geproduceerd.

Zoals je op de afbeelding kunt zien, is de stream in twee delen verdeeld. Een deel komt uit de opening en het andere blijft binnen. Geluidsgolven die binnenin opgesloten zitten, interfereren met elkaar. Als de frequentie van het geluid niet overeenkomt met een van de resonantiefrequenties van de kamer, zullen de golven destructief interfereren en snel verdwijnen. Als de frequentie echter overeenkomt met de resonantiefrequentie van de holte, zal de amplitude van de golf met de tijd toenemen. De snelheid van het toenemen zal afnemen naarmate de amplitude toeneemt. Uiteindelijk zal het een stabiele toestand bereiken. Op dit punt is de amplitude van de geluidsgolf sterk genoeg om het geluid goed hoorbaar te maken. De geluidsgolf komt uit het gat, wordt sterk verspreid en bereikt uiteindelijk onze oren.

Bij sommige fluitjes stuitert een kleine bal rond in de holte. De bal verandert de vorm van de holte en tegelijkertijd de resonantiefrequenties. Het stelt ons dus in staat om een breder scala aan geluidsfrequenties te horen.

Opmerkingen

• ” Als de lucht stroom wordt gemakkelijk afgebogen (onstabiel), er worden vortexen gegenereerd. Als hetzelfde herhaaldelijk gebeurt, zullen veel meer vortexen met vergelijkbare eigenschappen worden gegenereerd. Deze wervelingen zorgen ervoor dat de luchtdruk periodiek varieert, zodat er een geluidsgolf wordt geproduceerd. ” +1; Dit is het belangrijkste deel waar ik ‘ naar vraag. Kunt u verduidelijken hoe dit gebeurt voor een geaccepteerd antwoord? Heeft dit te maken met het uitwerpen van vortexen? Ik kan ‘ me niet precies voorstellen hoe een periodieke verandering is opgezet.
• Ja, het is een soort vortex-uitscheiding. Wellicht is dit wat u zoekt? www2.ibp.fraunhofer.de/akustik/ma/pipesound/animEdgeTone.mpeg
• Die link is nu verbroken; stilstaande beelden kunnen nog steeds hier worden gevonden. Weet je waar de video is?
• Dit was de algemeen aanvaarde verklaring voordat het mogelijk was om het gedrag van het geluidsproducerende systeem in voldoende detail te meten , maar zie newt.phys.unsw.edu.au/music/people/publications/… voor een wiskundige behandeling van de huidige uitleg – of lees mijn antwoord hieronder voor een niet-wiskundige versie.
• Is het mogelijk om de stroomsnelheid in de fluit met microfoon te meten?

Deze dingen werken meestal door feedback die drukveranderingen veroorzaakt, waardoor de oorspronkelijke stroom wordt omgeleid, wat dan het tegenovergestelde effect heeft op de druk, enz.

Dit is eenvoudiger om over na te denken bij het overwegen van een gewone balfluit, zoals atletiekcoaches en scheidsrechters gewoonlijk hebben. Het deel dat je inblazen heeft een dunne gleuf, waardoor een laminair vel lucht over een opening blaast, maar dat vervolgens doorloopt in het ronde deel. Er is echter geen andere opening in het ronde gedeelte, dus uiteindelijk wordt de druk opgebouwd en deze druk “breekt door” de laminaire plaat die de opening “bedekt”. Hierdoor kan de druk ontsnappen door de opening, die ook de lucht van het mondstuk omleidt om niet in het ronde deel te komen. De druk in het fluitje daalt dan, het laminaire vel kan zijn oorspronkelijke niet-omgeleide stroom opnieuw vormen of hervatten, waardoor de druk weer wordt opgebouwd, enz.

De bal in het fluitje is niet t nodig voor het maken van geluid. Het breekt periodiek het bovenstaande proces af, waardoor de fluitfrequentie effectief wordt gemoduleerd op een veel lagere frequentie.Ik weet niet precies waarom dit precies wordt gedaan, maar ik denk dat het geluid met de bal interessanter is of de aandacht krijgt of gemakkelijker te lokaliseren is voor mensen.

Opmerkingen

• Ik denk dat ik dit op een gegeven moment had geweten, maar het was vergeten. Bedankt dat je me eraan herinnert. Dit is niet het soort fluitje waar ik specifiek naar vroeg, maar +1 voor hulp!

Er is eindeloze verwarring geweest over hoe dit type fluit echt werkt. Als je het stromingspatroon onderzoekt, zie je het soort wervelpatronen in je plaatje, maar dat betekent niet noodzakelijk dat de wervelingen het geluid veroorzaken . In feite is het omgekeerde waar: het geluid veroorzaakt de wervelingen!

De basisverklaring (die ook van toepassing is op orgelpijpen en muziekinstrumenten zoals de blikken fluit en blokfluit) hangt af van het principe van Bernouilli. Het is eenvoudiger om na te denken over het maken van geluid door over het open uiteinde van een fles te blazen, omdat het “pijp” -gedeelte van de fluit in feite hetzelfde is als de fles die 90 graden is rondgebogen. Het belangrijkste is niet dat je “in de pijp” blaast, maar dat je “over het gat aan het uiteinde van de pijp” blaast.

Wanneer je over een fles blaast, wordt de druk in de bewegende lucht stroom wordt verminderd, en wat lucht wordt uit de fles “gezogen” in de luchtstroom onder lage druk.

De extra lucht die in de luchtstroom stroomt, buigt de luchtstroom echter weg van de opening van de fles, waardoor de hoeveelheid “zuigkracht” wordt verminderd.

De lucht binnen de fles heeft een natuurlijke trillingsfrequentie, die afhangt van de grootte en vorm van de fles. Deze trilling wordt opgewekt door de plotselinge drukverandering bij de opening van de fles, en na een halve trillingscyclus werkt het om wat lucht in de fles terug te zuigen. Dat trekt de luchtstroom die je over de fles blaast terug naar de opening van de fles, en de cyclus herhaalt zich.

De kritische parameter hier is de tijd die de uitgeblazen luchtstroom nodig heeft om over te reizen de mond van de fles , vergeleken met de tijd voor één trillingscyclus van de lucht in de fles. Als de twee tijdsintervallen de juiste relatie hebben, kunnen de oscillaties in amplitude toenemen. Dit verklaart waarom als je zacht blaast (lage snelheid), je helemaal geen geluid produceert, en als je geleidelijk harder blaast, het geluid plotseling begint. Afhankelijk van de geometrie van het hele systeem, kan het geluid naar een andere hogere frequentie “springen” als je heel hard blaast. In feite is het mogelijk om een orgelpijp zo af te stellen dat deze achtereenvolgens een geluid produceert met 3 of 4 verschillende toonhoogtes, afhankelijk van de winddruk (en dus de luchtsnelheid) die gebruikt wordt om erop te blazen.

De wervelingen zijn eenvoudigweg bijproducten van de oscillerende luchtstroom die de rand van de flesmond raakt.

De “verkeerde” uitleg gaat uit van de juiste waarneming dat het simpelweg blazen van een luchtstraal door een mondstuk een patroon van wervelingen kan produceren, dat zich met een bepaalde frequentie kan herhalen. Maar voor de geometrie en blaasdruk van een typisch fluitje is de frequentie van dat wervelpatroon (als het al bestaat) heel anders dan de frequentie van het geluid dat door het fluitje wordt geproduceerd, en het is moeilijk om een goede reden te bedenken waarom de wervelingen moeten het geluid veroorzaken .

Lucht in een kamer resoneert als een veer: Het heeft massa en veert terug wanneer het wordt samengeperst of gedecomprimeerd. Wanneer lucht over de opening wordt geblazen, en iets naar beneden, zal het de lucht naar binnen naar beneden duwen & veroorzaakt een storing waardoor de lucht binnen om te beginnen te resoneren. Terwijl het naar beneden resoneert, buigt het de luchtstroom naar beneden in de opening, waardoor de lucht meer naar beneden wordt gedrukt. Terwijl de lucht binnenin terugveert, buigt het de luchtstroom naar boven af, zodat het niet langer naar beneden duwt. Het trekt ook lucht van binnenuit weg door het Bernoulli-effect, waardoor de lucht naar binnen wordt getrokken. Eventueel gevormde vortexen zijn incidenteel.