Производство звука: вибрационная струна и воздушные колонны

Физика > Производство звука: вибрационная струна и воздушные колонны

 

Узнайте, как создать звук струной или воздушным столбом – частота, описание и уравнения. Рассмотрите тон, узлы и пучность волны, вибрации струны, графики.

Звук можно создавать разными устройствами.

Задача обучения

• Вычислить частоту звуковой волны, формируемой струной или воздушным столбом.

Основные пункты

• Частота и тон звукового инструмента основываются на скорости звуковой волны и длине струны. Частоту вычисляют по формуле 
• Звук в воздушной трубе, закрытой с одного конца, рассчитывается как 
• Звук в воздушной трубе, открытой с одного конца, рассчитывается как 

Термины

• Узел – указатель на волне, где нет смещения.
• Пучность – район максимальной амплитуды, расположенный между соседними узлами вибрационного тела, вроде струны.

Давайте разберемся в том, как создать звук. Звук можно формировать различными методами, применяя разные устройства и инструменты. Вибрационная струна или воздушная колонна способны воспроизвести удивительные звуки. С их помощью намного проще разобраться в физических аспектах звука.

Вибрационные струны

Вы можете найти огромное количество инструментов, основанных на струнах: гитара, фортепиано, скрипка, виолончель и т.д. Подобные волны и частоты стабильны, потому что создаваемые звук и высота неизменны. На нижнем изображении показана стоячая волна в стоке: скорость выступает пропорциональной натяжению струны, что выражено в формуле Тон и способ звукового восприятия зависят от частоты. При помощи скорости можно определить частоту через уравнение 

Фундаментальные и первые 6 обертонов создают гармонический ряд

Воздушные колонны

Многие инструменты производят звук благодаря вибрации колонны воздуха в резонаторе. Чаще всего их именуют духовыми инструментами (флейта, саксофон). Они могут быть открытыми с двух концов или же закрыты с одного. Тон зависит от частоты.

Замкнутые воздушные трубки: максимальное смещение воздуха создается в открытом конце (пучность). В закрытом воздушное перемещение ограничено и нет смещения (узел). Дистанция от узла к пучности – ¼ от длины волны и приравнивается к длине трубке: λ = 4L. Это можно рассмотреть на нижнем изображении, где частота соответствует скорости, разделенной на длину волны:

Фундаментальные и три нижних обертона для трубы, закрытой с одного конца. У всех есть максимальные смещения воздуха на открытой стороне и нет закрытого конца

Трубы с открытым воздухом: открытые с обоих концов. Напоминают описанные выше, но на обеих сторонах расположена пучность, а длина волны высчитывается как λ = 2LA, где частота определяется формулой

---