Pfeifenphysik

Betrachten wir den in der Frage gezeigten Pfeifentyp.

Wenn wir pfeifen, muss Luft durch die enge Öffnung strömen. Der Luftstrom in der Mitte des Stroms ist erheblich schneller als die benachbarte Luft in der Nähe des Hauptstroms. Wenn der Luftstrom leicht abgelenkt wird (instabil), werden Wirbel erzeugt. Wenn dasselbe wiederholt passiert, werden viel mehr Wirbel mit ähnlichen Eigenschaften erzeugt. Diese Wirbel bewirken, dass der Luftdruck periodisch variiert, so dass eine Schallwelle erzeugt wird. Die Frequenz dieser Schallwelle hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Wirbel abgestoßen werden. Da der Prozess ziemlich chaotisch ist, werden viele verschiedene Raten oder Frequenzen gleichzeitig erzeugt.

Wie Sie auf dem Bild sehen können, ist der Stream in zwei Teile unterteilt. Ein Teil kommt aus der Öffnung und der andere Teil bleibt drinnen. Im Inneren eingeschlossene Schallwellen stören sich gegenseitig. Wenn die Schallfrequenz mit keiner der Resonanzfrequenzen der Kammer übereinstimmt, interferieren die Wellen destruktiv und verschwinden schnell. Wenn die Frequenz jedoch mit der Resonanzfrequenz des Hohlraums übereinstimmt, nimmt die Amplitude der Welle mit der Zeit zu. Die Steigerungsrate nimmt mit zunehmender Amplitude ab. Schließlich wird es einen stabilen Zustand erreichen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Amplitude der Schallwelle stark genug, dass der Schall sehr gut hörbar wird. Die Schallwelle kommt aus dem Loch, verteilt sich stark und erreicht schließlich unsere Ohren.

Bei einigen Pfeifen springt ein kleiner Ball in der Höhle herum. Die Kugel verändert die Form des Hohlraums und gleichzeitig die Resonanzfrequenzen. Auf diese Weise können wir einen größeren Bereich der Schallfrequenz hören.

Kommentare

• “ Wenn die Luft Strom wird leicht abgelenkt (instabil), es entstehen Wirbel. Wenn dasselbe wiederholt passiert, werden viel mehr Wirbel mit ähnlichen Eigenschaften erzeugt. Diese Wirbel bewirken, dass der Luftdruck periodisch variiert, so dass eine Schallwelle erzeugt wird. “ +1; Dies ist der Schlüsselteil, nach dem ich ‚ frage. Können Sie klären, wie dies bei einer akzeptierten Antwort geschieht? Hängt dies mit Wirbelablösung zusammen? Ich kann mir ‚ nicht genau vorstellen, wie eine periodische Änderung eingerichtet wird.
• Ja, es ist eine Art Wirbelablösung. Vielleicht ist es das, wonach Sie suchen? www2.ibp.fraunhofer.de/akustik/ma/pipesound/animEdgeTone.mpeg
• Dieser Link ist jetzt unterbrochen. Standbilder finden Sie immer noch hier . Wissen Sie, wo sich das Video befindet?
• Dies war die allgemein akzeptierte Erklärung, bevor es möglich war, das Verhalten des Tonerzeugungssystems detailliert genug zu messen, aber siehe newt.phys.unsw.edu.au/music/people/publications/… für eine mathematische Behandlung der aktuellen Erklärung – oder lesen Sie meine Antwort unten für eine nicht mathematische Version.
• Ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Pfeife mit einem Mikrofon zu messen?

Diese Dinge funktionieren normalerweise durch Rückkopplung, die Druckänderungen verursacht, die dann dazu führen, dass der ursprüngliche Fluss umgeleitet wird, was dann den gegenteiligen Effekt auf den Druck usw. hat.

Dies ist einfacher zu bedenken, wenn man über eine gemeinsame Ballpfeife nachdenkt, wie es Sporttrainer und Schiedsrichter normalerweise tun. Das Teil, in das Sie blasen, hat einen dünnen Schlitz, durch den eine laminare Luftschicht durch eine Öffnung bläst, die sich dann aber in den runden Teil fortsetzt. Es gibt jedoch keine andere Öffnung im runden Teil, so dass sich schließlich der Druck aufbaut und dieser Druck die laminare Folie „durchbricht“, die die Öffnung „bedeckt“. Dadurch kann der Druck durch die Öffnung abgelassen werden, wodurch auch die Luft aus der Düse umgeleitet wird, um nicht in den runden Teil zu gelangen. Der Druck in der Pfeife fällt dann ab, die laminare Folie kann ihren ursprünglichen nicht umgeleiteten Fluss neu formen oder wieder aufnehmen, wodurch sich der Druck wieder aufbaut usw.

Die Kugel in der Pfeife ist nicht „t“ notwendig, um Geräusche zu machen. Der oben beschriebene Prozess wird regelmäßig unterbrochen, wodurch die Pfeiffrequenz bei einer viel niedrigeren Frequenz effektiv moduliert wird.Ich bin mir nicht sicher, warum genau dies getan wird, aber ich denke, der Klang mit dem Ball ist interessanter oder aufmerksamkeitsstarker oder für den Menschen leichter zu lokalisieren.

Kommentare

• Ich glaube, ich hatte das schon einmal gewusst, aber vergessen. Danke, dass Sie mich daran erinnert haben. Dies ist nicht ‚ die Art von Pfeife, nach der ich speziell gefragt habe, aber +1 für die Hilfe!

Es gab endlose Verwirrung darüber, wie diese Art von Pfeife wirklich funktioniert. Wenn Sie das Strömungsmuster untersuchen, sehen Sie die Art der Wirbelmuster in Ihrem Bild, aber das bedeutet nicht unbedingt, dass die Wirbel den Ton verursachen. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall – der Klang verursacht die Wirbel!

Die grundlegende Erklärung (die auch für Orgelpfeifen und Musikinstrumente wie die Blechpfeife und den Blockflöten gilt) hängt von Bernouillis Prinzip ab Es ist einfacher, über ein Geräusch nachzudenken, indem man über das offene Ende einer Flasche bläst, da der „Rohr“ -Teil der Pfeife wirklich der gleiche ist wie die Flasche, die um 90 Grad gebogen ist. Wichtig ist nicht, dass Sie „in das Rohr“ blasen, sondern dass Sie „über das Loch am Ende des Rohrs“ blasen.

Wenn Sie über eine Flasche blasen, wird der Druck in der sich bewegenden Luft Der Strom wird verringert und etwas Luft wird aus der Flasche in den Niederdruckluftstrom „abgesaugt“.

Die zusätzliche Luft, die in den Luftstrom übergeht, biegt den Luftstrom jedoch von der Flaschenöffnung weg, wodurch die Menge an „Absaugung“ verringert wird.

Die Luft im Inneren Die Flasche hat eine Eigenfrequenz der Vibration, die von der Größe und Form der Flasche abhängt. Diese Vibration wird durch die plötzliche Druckänderung an der Flaschenöffnung angeregt und nach einem halben Vibrationszyklus saugt sie etwas Luft zurück in die Flasche. Dadurch wird der Luftstrom, den Sie über die Flasche blasen, zurück zum Flaschenhals gezogen, und der Zyklus wird wiederholt.

Der kritische Parameter hier ist die Zeit, die der geblasene Luftstrom benötigt, um sich zu bewegen die Öffnung der Flasche , verglichen mit der Zeit für einen Vibrationszyklus der Luft in der Flasche. Wenn die beiden Zeitintervalle die richtige Beziehung haben, können sich die Schwingungen in der Amplitude aufbauen. Dies erklärt, warum Sie beim sanften Blasen (niedrige Geschwindigkeit) überhaupt keinen Ton erzeugen und wenn Sie allmählich stärker blasen, beginnt der Ton plötzlich. Abhängig von der Geometrie des gesamten Systems kann der Klang, wenn Sie sehr stark blasen, auf eine andere höhere Frequenz „springen“. Tatsächlich ist es möglich, eine Orgelpfeife so einzustellen, dass sie nacheinander einen Klang mit 3 oder 4 verschiedenen Tonhöhen erzeugt, abhängig vom Winddruck (und damit der Luftgeschwindigkeit), mit dem sie geblasen wird.

Die Wirbel sind einfach Nebenprodukte des oszillierenden Luftstroms, der auf den Rand des Flaschenmunds trifft.

Die „falschen“ Erklärungen gehen von der richtigen Beobachtung aus, dass durch einfaches Durchblasen eines Luftstrahls durch eine Düse ein Wirbelmuster erzeugt werden kann, das sich mit einer bestimmten Frequenz wiederholen kann. Aber für die Geometrie und den Blasdruck einer typischen Pfeife unterscheidet sich die Frequenz dieses Wirbelmusters (falls überhaupt vorhanden) stark von der Frequenz des von der Pfeife erzeugten Geräusches, und es ist schwierig, einen guten Grund dafür zu finden Die Wirbel sollten den Klang verursachen.

Luft in einer Kammer schwingt wie eine Feder mit: Es hat Masse und springt zurück, wenn es komprimiert oder dekomprimiert wird. Wenn Luft über die Öffnung geblasen und leicht nach unten geblasen wird, drückt es die Luft nach innen. & verursacht eine Störung, die die Luft verursacht Wenn es nach unten schwingt, lenkt es den Luftstrom nach unten in die Öffnung und drückt die Luft weiter nach unten. Wenn die Luft im Inneren zurückspringt, lenkt es den Luftstrom nach oben, so dass es nicht mehr nach unten drückt. Durch den Bernoulli-Effekt wird auch Luft von innen weggezogen, wodurch die Luft nach innen gezogen wird. Alle gebildeten Wirbel sind zufällig.