Fizyka gwizdka

Rozważmy konkretny rodzaj gwizdka pokazany w pytaniu.

Kiedy dmuchamy w gwizdek, powietrze wypływa przez wąski otwór. Przepływ powietrza w środku strumienia jest znacznie szybszy niż powietrze sąsiednie w pobliżu głównego strumienia. Jeśli strumień powietrza jest łatwo odchylany (niestabilny), powstają wiry. Jeśli ta sama rzecz będzie się powtarzać, zostanie wygenerowanych wiele więcej wirów o podobnych właściwościach. Wiry te powodują okresowe zmiany ciśnienia powietrza, co powoduje wytwarzanie fali dźwiękowej. Częstotliwość tej fali dźwiękowej jest związana z szybkością zrzucania wirów. Ponieważ proces jest raczej chaotyczny, jednocześnie wytwarzanych jest wiele różnych szybkości lub częstotliwości.

Jak widać na obrazku, strumień jest podzielony na dwie części. Jedna część wychodzi z otworu, a druga pozostaje w środku. Fala dźwiękowa uwięziona w środku będzie się wzajemnie zakłócać. Jeśli częstotliwość dźwięku nie jest zgodna z żadną z częstotliwości rezonansowych komory, fale będą zakłócać destrukcyjnie i szybko zanikać. Jeśli jednak częstotliwość odpowiada częstotliwości rezonansowej wnęki, amplituda fali wzrośnie z czasem. Tempo narastania będzie maleć wraz ze wzrostem amplitudy. W końcu osiągnie stan ustalony. W tym momencie amplituda fali dźwiękowej jest na tyle duża, że dźwięk staje się bardzo słyszalny. Fala dźwiękowa wydostaje się z dziury, jest silnie rozpraszana i ostatecznie dociera do naszych uszu.

Niektóre gwizdki mają małą kulkę odbijającą się w jamie. Kula zmienia kształt wnęki i jednocześnie zmienia częstotliwości rezonansowe. W ten sposób pozwala nam słyszeć szerszy zakres częstotliwości dźwięku.

Komentarze

• ” Jeśli strumień jest łatwo odchylany (niestabilny), generowane są wiry. Jeśli ta sama rzecz będzie się powtarzać, zostanie wygenerowanych wiele więcej wirów o podobnych właściwościach. Te wiry powodują okresowe zmiany ciśnienia powietrza, więc wytwarzana jest fala dźwiękowa. ” +1; To jest kluczowa część, o którą ' pytam. Czy możesz wyjaśnić, jak to się dzieje w przypadku zaakceptowanej odpowiedzi? Czy jest to związane z wydalaniem wirów? Mogę ' dokładnie wyobrazić sobie, jak jest konfigurowana okresowa zmiana.
• Tak, to rodzaj wirowania. Może właśnie tego szukasz? www2.ibp.fraunhofer.de/akustik/ma/pipesound/animEdgeTone.mpeg
• Ten link jest teraz uszkodzony; zdjęcia nadal można znaleźć tutaj . Czy wiesz, gdzie jest wideo?
• To było ogólnie przyjęte wyjaśnienie, zanim było możliwe zmierzenie zachowania systemu wytwarzającego dźwięk wystarczająco szczegółowo, ale zobacz newt.phys.unsw.edu.au/music/people/publications/… w celu matematycznego ujęcia obecnego wyjaśnienia – lub przeczytaj moją odpowiedź poniżej dla wersji niematematycznej.
• Czy można zmierzyć prędkość przepływu wewnątrz gwizdka za pomocą mikrofonu?

Te rzeczy zwykle działają na zasadzie sprzężenia zwrotnego, które powoduje zmiany ciśnienia, które następnie powodują przekierowanie pierwotnego przepływu, co następnie ma odwrotny wpływ na ciśnienie itp.

Łatwiej o tym pomyśleć, biorąc pod uwagę zwykły gwizdek piłkarski, jak zwykle robią to trenerzy sportowi i sędziowie. Wdmuchiwana część ma cienką szczelinę, która tworzy laminarny arkusz powietrza przedmuchiwanego przez otwór, ale następnie przechodzi do okrągłej części. Jednak w okrągłej części nie ma innego otworu, więc ostatecznie ciśnienie narasta i to ciśnienie „przebija się” przez arkusz laminarny, co w pewnym sensie „zakrywa” otwór. Pozwala to na uwolnienie ciśnienia przez otwór, który również kieruje powietrze z dyszy, aby nie przedostało się do okrągłej części. Następnie ciśnienie w gwizdku spada, arkusz laminarny może ponownie uformować się lub wznowić swój pierwotny, nie przekierowany przepływ, co powoduje ponowne zwiększenie ciśnienia itp.

Piłka wewnątrz gwizdka nie jest niezbędny do wytworzenia dźwięku. Okresowo przerywa powyższy proces, skutecznie modulując częstotliwość gwizdów przy znacznie niższej częstotliwości.Nie jestem pewien, dlaczego dokładnie to się dzieje, ale wydaje mi się, że dźwięk piłki jest bardziej interesujący lub przyciąga uwagę ludzi lub jest łatwiejszy do zlokalizowania.

Komentarze

• Wydaje mi się, że wiedziałem o tym w pewnym momencie, ale zapomniałem. Dziękuję za przypomnienie. To nie jest ' rodzaj gwizdka, o który pytałem, ale +1 za pomoc!

Było nieskończone zamieszanie co do tego, jak naprawdę działa ten typ gwizdka. Jeśli zbadasz wzór przepływu, zobaczysz na swoim obrazie rodzaj wzorów wirów, ale to niekoniecznie oznacza, że wiry powodują dźwięk. W rzeczywistości jest odwrotnie – dźwięk wywołuje wiry!

Podstawowe wyjaśnienie (które dotyczy również piszczałek organowych i instrumentów muzycznych, takich jak blaszany gwizdek i flet prosty) zależy od zasady Bernouilliego. „Łatwiej jest pomyśleć o wydaniu dźwięku przez dmuchnięcie w otwarty koniec butelki, ponieważ„ rurowa ”część gwizdka jest w rzeczywistości taka sama, jak butelka wygięta pod kątem 90 stopni. Ważne jest, aby nie dmuchać „w rurę”, ale żeby dmuchać „w poprzek otworu na końcu rury”.

Kiedy dmuchasz w butelkę, ciśnienie w poruszającym się powietrzu strumień jest zmniejszany, a część powietrza jest „wysysana” z butelki do strumienia powietrza o niskim ciśnieniu.

Jednak dodatkowe powietrze wchodzące w strumień powietrza odchyla strumień powietrza od wylotu butelki, co zmniejsza ilość „zasysania”.

Powietrze wewnątrz butelka ma naturalną częstotliwość wibracji, która zależy od rozmiaru i kształtu butelki. Ta wibracja jest wzbudzana nagłą zmianą ciśnienia w otworze butelki i po pół cyklu wibracji zasysa trochę powietrza z powrotem do butelki. To ciągnie strumień powietrza, który wdmuchujesz przez butelkę z powrotem w kierunku wylotu butelki, a cykl się powtarza.

Krytycznym parametrem jest tutaj czas, w jakim strumień powietrza przepływa ujście butelki , w porównaniu z czasem jednego cyklu wibracji powietrza wewnątrz butelki. Jeśli dwa przedziały czasu mają prawidłową zależność, oscylacje mogą narastać w amplitudzie. To wyjaśnia, dlaczego dmuchając delikatnie (niska prędkość) nie wydajesz żadnego dźwięku, a jeśli dmuchasz stopniowo mocniej, nagle dźwięk się zaczyna. W zależności od geometrii całego systemu, przy bardzo mocnym dmuchaniu dźwięk może „przeskoczyć” na inną, wyższą częstotliwość. W rzeczywistości możliwe jest wyregulowanie piszczałki organowej tak, aby kolejno wydawała dźwięk o 3 lub 4 różnych wysokościach, w zależności od ciśnienia wiatru (a tym samym prędkości powietrza) używanego do jej dmuchania.

Wiry są po prostu produktami ubocznymi oscylującego strumienia powietrza uderzającego o krawędź otworu butelki.

„Złe” wyjaśnienia zaczynają się od prawidłowej obserwacji, że zwykłe wdmuchanie strumienia powietrza przez dyszę może wytworzyć wzór wirów, które mogą się powtarzać z określoną częstotliwością. Ale jeśli chodzi o geometrię i ciśnienie powietrza typowego gwizdka, częstotliwość tego wzoru wirowego (jeśli w ogóle istnieje) jest bardzo różna od częstotliwości dźwięku wytwarzanego przez gwizdek i trudno jest wymyślić dobry powód, dla którego wiry powinny wywołać dźwięk.

Powietrze w komorze rezonuje jak sprężyna: Ma masę i sprężynuje z powrotem po ściśnięciu lub dekompresji. Kiedy powietrze jest wdmuchiwane przez otwór i lekko w dół, wpycha je w dół & powoduje zakłócenia, które spowodują, że powietrze wewnątrz, aby zacząć rezonować. Kiedy rezonuje w dół, kieruje strumień powietrza w dół do otworu, bardziej wypychając powietrze w dół. Gdy powietrze w środku odskakuje z powrotem, odchyla strumień powietrza w górę, więc nie jest już spychany w dół. Odciąga również powietrze od wewnątrz dzięki efektowi Bernoulliego, pomagając wciągnąć powietrze do środka. Wszelkie powstałe wiry są przypadkowe.