Почему высота звука увеличивается, когда вы сильнее дуете в свисток?

Я не верю, что другие ответы верны. FGSUZ описывает выталкивание воздуха из трубки, что как бы играет небольшую роль, но не всю историю.

То, как деревянные духовые инструменты воспроизводят звук, заключается в том, что они заставляют вибрировать столб воздуха внутри инструмента . Это делается путем разделения воздушного потока . В таких инструментах, как саксофон или кларнет, для этого используется трость. Концертная флейта или винная бутылка пропускают воздух через острый край, а магнитофон или свисток используют нечто, называемое фиппе.

В любом случае это расщепление воздуха вызывает перепад давления в потоке. Одна сторона щели выходит в открытый воздух, другая — в корпус инструмента. Кроме того, практически весь воздух, который вы выдуваете, выходит наружу, и очень мало попадает в тело*. Из принципа Бернулли мы знаем, что движущийся воздух находится под несколько более низким давлением. При попытке выравнивания столб воздуха в теле начнет двигаться, заполняя зону пониженного давления. Поскольку у воздуха есть некоторая масса и импульс, он будет промахиваться, и только что созданная зона высокого давления оттолкнет столб воздуха в другую сторону, и процесс повторится.

Нажатие клавиш или (не)закрывание разных отверстий изменит эффективную длину этого воздушного столба, что можно представить как изменение его массы**, что приводит к звучанию разной высоты тона.

Таким образом, когда вы дуете с большей скоростью, вы создаете немного более интенсивный перепад давления и, таким образом, создаете немного больше относительной энергии для колебаний столба воздуха. Дуйте немного медленнее, и высота звука немного снизится. Плавно чередуйте их, и у вас может получиться хорошее вибрато.

Что действительно важно здесь, так это то, что важен не объем воздуха, а его скорость .

Это явление также является причиной того, что многие духовые инструменты имеют тенденцию звучать резко на высоких нотах и ​​плоско на низких нотах, и игроку необходимо корректировать их, изменяя скорость полета, поскольку одних клавиш или отверстий на инструменте недостаточно, чтобы получить правильный тон. .

В случае с концертной флейтой, в которой используется острый край, а не наконечник или трость, исполнитель может направлять свой воздух и напрямую контролировать соотношение давления , изменяя пропорцию того, сколько воздуха входит в отверстие амбушюра и сколько проходит через это. В результате опытный флейтист часто может сгибать ноты более чем на целый шаг вверх или вниз, основываясь только на управлении воздушным потоком, ничего не меняя в самой флейте или не изменяя скорость воздушного потока.

Наконец, если вы производите достаточную мощность в своем воздушном потоке, вы можете передувать и играть на 1 или более октав выше ноты, как на пальцах. При игре в верхних регистрах тенденция к тому, чтобы инструменты звучали все более резко по мере подъема вверх, становится более драматичной.

Редактировать: я хочу упомянуть, но не мог понять, где это включить в ответ выше, но скорость воздухадействительно важно. Особенно на концертной флейте, это важно до полного разочарования новичков. Поток воздуха размером с леску над мундштуком с правильной скоростью будет говорить громче и четче, чем в 100 раз больше воздуха, если он будет неконтролируемым и медленным. Новых флейтистов часто учат думать о «горячем» и «холодном» воздухе, когда они учатся управлять своим воздушным потоком. И, в конце концов, когда музыкант достиг достаточного мастерства, он может играть тихие ноты, осторожно выдувая очень небольшое количество воздуха на очень высокой скорости, и тихо произносить даже самые высокие ноты. Если бы физика инструмента заключалась в выталкивании воздуха из корпуса инструмента, это было бы невозможно. Это не так, потому что этого крошечного кусочка воздуха на правильной скорости все еще достаточно, чтобы создать этот перепад давления,

*Не верно для язычковых инструментов; поведение при расщеплении воздуха вызвано самим тростником, но остальные концепции по-прежнему верны.

**Грандиозное упрощение, граничащее с полным неправильным, но, честно говоря, это не имеет большого значения.

Это очень интересное явление.

Грубо говоря, дело в том, что давление влияет на "эффективную длину" трубы.

Поясню, трубки не так просты, как струны. Струна имеет фиксированную длину, и тогда скорость звука однозначно определяет ее частоту.

С другой стороны, открытые трубы ведут себя иначе. Поскольку мы говорим о продольных волнах, мы говорим о «волнах давления», это серия сжатий и расширений молекул воздуха внутри трубки.

Но есть одна проблема: эти стационарные волны не возбуждаются в той же волне, когда вы двигаете веревку. Вы возбуждаете звуковые волны, дуя воздухом. Это означает, что вы выдуваете массу со скоростью, так что вы несете импульс, воздух создает силу, и эта сила отталкивает молекулы.

Когда вы вдуваете воздух в свисток, сохранение массы заставляет этот воздух выходить откуда-то еще. Воздух, который вы вдуваете внутрь, выходит с другого конца. Но этот выходящий воздух отталкивает молекулы окружающего воздуха назад. Другими словами, когда вы выдуваете воздух, вы вытесняете окружающий воздух.

Другими словами, воздух, который вы выдуваете, не встречает сильного сопротивления предыдущему воздуху, который уже был там. Таким образом, вы отталкиваете окружающие молекулы воздуха назад.

Эти молекулы возвращаются только на определенное расстояние. В какой-то момент молекулы снова отскакивают от свистка. Вы можете сдувать молекулы, пока давление воздуха не станет таким же, как то, которое вы прогоняете через свисток.

Очевидно, что это расстояние зависит от того, насколько сильно вы дуете, но оно составляет порядка 1 см.

И какое это имеет отношение ко всему этому? Здесь происходит то, что волне «не нужно» отскакивать назад, пока она не достигнет этого «барьера давления». Таким образом, вместо того, чтобы отскакивать прямо в конце трубы, он отскакивает немного позже.

Итак, подводя итог, тот факт, что это открытый конец, позволяет воздуху немного возвращаться в норму после того, как трубка заканчивается. Таким образом, у вас будет тот же эффект, как если бы у вас была «более длинная идеальная трубка», а более длинная трубка подразумевает другое.$\lambda$и разные гармоники.

обычно, когда вы резонируете с объектом (или массой воздуха), он проходит через полную вибрацию на одной длине вашего объекта. Это потому, что ему нравится (например, труба с закрытым концом) быть в конце своей волны, когда он достигает конца трубы (граничные условия). Но если вы вложите в него достаточно энергии, он пройдет через 2 вибрации (и все равно выполнит граничные условия). Ваш более высокий тон обычно в два раза превышает частоту вашего более низкого тона. Попробуйте!

Самая основная причина заключается в том, что Природа по своей природе нелинейна, хотя линейные приближения обычно достаточно хороши. Спрашивающий озадачен, потому что он/она выражает понимание, основанное на линейных приближениях к тому, как работают музыкальные инструменты. При повышенном давлении эти линейные приближения нарушаются, что приводит к наблюдаемым эффектам.

Более подробное объяснение будет варьироваться в зависимости от конкретного инструмента или типа «свистка», который имеет в виду спрашивающий, но в попытке все еще быть общим, «пограничные» инструменты, такие как блокфлейта и флейта, включают поток пересекающейся воздушной струи. ребро, которое, в свою очередь, направляет струю либо внутрь корпуса инструмента, либо в сторону. Это изменение направления идентифицирует массу воздуха, которая вибрирует под действием упругости воздушного столба внутри инструмента. При низких скоростях воздушной струи эта воздушная струя в значительной степени ламинарна, что подчиняется линейным соотношениям ньютоновской жидкости, в которой напряжение пропорционально градиенту скорости. При более высоких скоростях возникает турбулентность, и ньютоновское соотношение становится все более неточным. Если музыкальный тон увеличивается по частоте, s, потому что турбулентность разрушает часть эффективной воздушной массы, которая вибрирует вокруг края. Таким образом, там вибрирует меньшая эффективная масса. В любой вибрационной системе пружина/масса меньшая масса приводит к более высокой частоте вибрации. Существуют и другие эффекты турбулентности, такие как повышенное рассеивание, которое на самом деле привело бы к более низкой частоте, когда уменьшенная масса не является доминирующей особенностью.
Есть много других эффектов нелинейности в музыкальных инструментах, и они выходят далеко за рамки вопроса, но в целом каждый инструмент демонстрирует некоторую нелинейность в некотором диапазоне его играбельности.

Ключевой частью того, что заставляет работать свисток, флейту, дымовую трубу или другой подобный инструмент, является двунаправленная зависимость между давлением воздуха в трубе возле устья и долей ветра, который входит в нее. При продувке открытой трубы волна высокого давления, проходящая по трубе, будет отражаться обратно в виде волны низкого давления. Когда эта волна низкого давления достигает устья, она увеличивает долю приложенного ветра, который входит в устье, создавая еще одну волну высокого давления.

Временная зависимость между моментом прихода импульса низкого давления и моментом прохождения волны высокого давления по трубе довольно сложна и сильно зависит от формы горловины трубы, угла воздушного потока и многих других факторов. другие факторы. Скорость стимулирующего воздушного потока является одним из этих факторов, хотя его эффекты взаимодействуют с другими факторами таким образом, что их трудно полностью смоделировать.