Whistle Physics (Svenska)

Låt oss ta hänsyn till den specifika visselpipa som visas i frågan.

När vi blåser visslingen tvingas luft att rusa ut genom den smala öppningen. Luftflödet i mitten av strömmen är betydligt snabbare än grannluften nära huvudströmmen. Om luftströmmen lätt avböjs (instabil) genereras virvlar. Om samma sak händer upprepade gånger kommer många fler virvlar med liknande egenskaper att genereras. Dessa virvlar gör att lufttrycket varierar på ett periodiskt sätt, så ljudvåg produceras. Frekvensen för denna ljudvåg är relaterad till den hastighet med vilken virvlarna tappas. Eftersom processen är ganska kaotisk produceras många olika hastigheter eller frekvenser åt gången.

Som du kan se på bilden är strömmen uppdelad i två delar. En del kommer ut ur öppningen och den andra delen förblir inuti. Ljudvåg instängd kommer att störa varandra. Om ljudfrekvensen inte matchar någon av kammarens resonansfrekvenser stör vågorna destruktivt och försvinner snabbt. Men om frekvensen matchar resonansfrekvensen i kaviteten ökar vågens amplitud övertid. Ökningshastigheten minskar när amplituden byggs upp. Så småningom kommer det att nå ett stabilt tillstånd. Vid denna punkt är ljudvågens amplitud tillräckligt stark för att ljudet blir mycket hörbart. Ljudvågen kommer ut ur hålet, sprids starkt och når slutligen våra öron.

Vissa visselpipor har en liten boll som studsar inuti håligheten. Bollen ändrar formen på håligheten och samtidigt resonansfrekvenserna. På så sätt kan vi höra ett bredare spektrum av ljudfrekvens.

Kommentarer

• ” Om luften strömmen avböjs lätt (instabil), virvlar genereras. Om samma sak händer upprepade gånger kommer många fler virvlar med liknande egenskaper att genereras. Dessa virvlar gör att lufttrycket varierar på ett periodiskt sätt, så ljudvåg produceras. ” +1; Detta är den viktigaste delen jag ’ frågar om. Kan du klargöra hur detta händer för ett accepterat svar? Är detta relaterat till virvelhantering? Jag kan ’ inte föreställa mig exakt hur en periodisk förändring är inställd.
• Ja, det är ett slags virvelavfall. Kanske är det det du letar efter? www2.ibp.fraunhofer.de/akustik/ma/pipesound/animEdgeTone.mpeg
• Den länken är nu bruten; stillbilder finns fortfarande här . Vet du var videon är?
• Detta var den allmänt accepterade förklaringen innan det var möjligt att mäta beteendet hos det ljudproducerande systemet tillräckligt detaljerat, men se newt.phys.unsw.edu.au/music/people/publications/… för en matematisk behandling av den aktuella förklaringen – eller läs mitt svar nedan för en icke-matematisk version.
• Är det möjligt att mäta flödeshastigheten inuti visselpipan med mikrofon?

Dessa saker fungerar vanligtvis med feedback som orsakar tryckförändringar, som sedan gör att det ursprungliga flödet omdirigeras, vilket sedan har motsatt effekt på trycket etc.

Det här är enklare att tänka på när man överväger en vanlig visselpipa, som atletiska tränare och refs vanligtvis har. Den del du blåser in har en tunn slits som gör att ett laminärt luftblås blåser över en öppning, men som sedan fortsätter in i den runda delen. Det finns dock ingen annan öppning i den runda delen, så så småningom byggs trycket upp och detta tryck ”bryter igenom” det laminära arket som ”täcker” öppningen. Detta gör att trycket kan släppas genom öppningen, vilket också leder luften från munstycket för att inte gå in i den runda delen. Trycket i visselpipan sjunker sedan, det laminära arket kan omformas eller återuppta sitt ursprungliga icke-omdirigerade flöde, vilket får trycket att byggas upp igen, etc.

Kulan inuti visselpipan är inte ”t nödvändigt för att göra ljud. Det bryter regelbundet upp processen ovan, och effektivt modulerar visselfrekvensen med en mycket lägre frekvens.Jag är inte säker på varför exakt detta görs, men jag tycker att ljudet med bollen är mer intressant eller uppmärksamhet blir eller lättare för människor att lokalisera.

Kommentarer

• Jag tror att jag visste det vid ett tillfälle men hade glömt. Tack för att jag påminde mig. Det här är inte ’ t den typ av visselpipa jag specifikt frågade om, men +1 för att hjälpa!

Det har varit oändlig förvirring om hur denna typ av visselpipa verkligen fungerar. Om du undersöker flödesmönstret ser du vilken sorts virvelmönster som finns i din bild, men det betyder inte nödvändigtvis virvlarna orsakar ljudet. I själva verket är det omvända – ljudet orsakar virvlarna!

Den grundläggande förklaringen (som även gäller orgelrör och musikinstrument som tennvisslingen och inspelaren) beror på Bernouillis princip. ”Det är enklare att tänka på att göra ett ljud genom att blåsa över den öppna änden av en flaska, eftersom” pipens ”del av visselpipan verkligen är densamma som flaskan böjd runt 90 grader. Det viktiga är inte att du blåser ”in i röret” utan att du blåser ”över hålet i slutet av röret”.

När du blåser över en flaska, trycket i den rörliga luften strömmen minskas och lite luft ”sugs ut” ur flaskan i luftströmmen med lågt tryck.

Men den extra luften som smälter samman i luftströmmen böjer luftströmmen bort från flaskans mynning, vilket minskar mängden ”sug.”

Luften inuti flaskan har en naturlig vibrationsfrekvens, vilket beror på flaskans storlek och form. Denna vibration är upphetsad av den plötsliga tryckförändringen vid flaskans mynning, och efter en halv cykel av vibrationer suger den lite luft tillbaka i flaskan. Det drar luftströmmen du blåser över flaskan tillbaka mot flaskans mynning och cykeln upprepas.

Den kritiska parametern här är den tid det tar för den blåsta luftströmmen att färdas över flaskans mun jämfört med tiden för en vibrationscykel i luften inuti flaskan. Om de två tidsintervallen har rätt förhållande kan svängningarna byggas upp i amplitud. Detta förklarar varför om du blåser försiktigt (låg hastighet) producerar du inget ljud alls, och om du gradvis blåser hårdare börjar ljudet plötsligt. Beroende på hela systemets geometri kan ljudet ”hoppa” till en annan högre frekvens om du blåser väldigt hårt. Det är faktiskt möjligt att justera ett orgelrör så att det successivt producerar ett ljud med 3 eller 4 olika stigningar, beroende på vindtrycket (och därmed lufthastigheten) som används för att blåsa det.

Virvlarna är helt enkelt biprodukter från den oscillerande luftströmmen som träffar kanten på flaskmunnen.

De ”felaktiga” förklaringarna börjar från den korrekta iakttagelsen att helt enkelt att blåsa en luftstråle genom ett munstycke kan ge ett mönster av virvlar som kan upprepas med en bestämd frekvens. Men för geometrin och blåstrycket hos en typisk visselpipa är frekvensen för det virvelmönstret (om det alls finns) väldigt annorlunda än frekvensen för det ljud som produceras av visselpipan och det är svårt att uppfinna en bra anledning virvlarna ska orsaka ljudet.

Luft i en kammare resonerar som en fjäder: Den har massa och fjädrar tillbaka när den komprimeras eller dekomprimeras. När luft blåses över öppningen och något nedåt kommer den att trycka ner luften nedåt & orsaka störningar som kommer att orsaka luften inuti för att börja resonera. När den resonerar ner, avböjer den luftströmmen ner i öppningen och trycker luften mer ner. När luften inuti fjädrar tillbaka, avböjer den luftströmmen uppåt så att den inte längre trycker ner. Det drar också luft inifrån från Bernoulli-effekten och hjälper till att dra upp luften inifrån. Eventuella vortexar som bildas är oförutsedda.