Подскажите принцип действия флейты
 

Чего то не очень понимаю, как она работает? Тема, где перевод статьи о устройстве флейты, как то не особа понятна.

Особенно:
Это как? :eyecrazy:
Я так понимаю здесь речь идет о том, что лабиум просто делит струю на двое. Или все же струя воздуха и правда меняет свое направление?

Дальше насчет образования звука тож не совсем ясно. Чем больше воздушный столб тем ниже звук. Где то написано, что воздушный столб, можно сравнить со струной, чем длиньше струна тем звук ниже, чем короче тем выше.
Хорошо, это логично, тем более можно проверить - закрыли все дырки - получили там Фа или До. А почему тогда если допустим разберем флейту, возмем блок и дунем в него то не получится предельно высокий звук, какой можно сделать при собранной флейте? А ведь столб воздуха и так меньше чем при собранной?

Собсвтенно интересно, каким образом сделана аппликаура? Методом тыка что ли? Первая октава понятна, мы постепенно уменьшаем столб воздуха. А когда дело доходит до октавного клапана я просто теряюсь...

Извиняюсь за сумбурны пост, но лучше не могу задать вопрос, потому, что в прицнипе прочитав устрйоство флейты тут на форуме, и на сайте сопрано-рекордер и там про всякие другие дудки, понял, что ничего не понял :user:

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Здравствуйте, Сережа. Я не очень большой спец в аэродинамике, но в общих чертах мне кажется так:

В мундштуке формируется ламинарный поток воздуха с довольно высокой скоростью. Этот поток попадает на лабиум (клин). Аналогия может быть с крылом самолета,на передней кромке которого образуюся вихри, создающие разность давлений между верхней и нижней
плоскостью. А раз появились вихри, значит появилась разность давлений меняющаяся во времени, звук. Далее, узкая щель связывает свистковую часть(собственно генератор звука) с резонатором.Меняя длину резонатора закрытием/открытием отверстий, меняем частоту генератра,
т.к стоячая волна в резонаторе оказывет влияние на частоту образования вихрей в генераторой части.
Октавный клапан,когда он полностью закрыт, не оказывает влияния на звук.
Вспомним, что интервал в октаву-это разность по частоте ровно в два раза.
Если немного приоткрыть октавный клапан, можно создать условия, при которых в резонаторе возбуждается вторая гармоника . Вот вам и вторая октава.
Наверное, если хочется более глубоко, то надо смотреть физику.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Пытался искать информацию «как это работает». Кажется ученые не очень понимают это. (Не удивительно, до конца окружающий мир человечество никогда не постигнет. Наши знания очень ограничены :-) )

В книгах по акустике/физике разбирают колебания воздуха в трубке. Так объясняют работу органных труб. Подходит это и для флейты. Трубка из жесткого материала будет усиливать звук определенной частоты (резонансной). Звук в воздухе это перемещающаяся волна сгущений/разрежений. Такая волна образуется внутри трубки. Направление движения - вдоль.
При этом концы могут быть жестко закрыты, тогда звуковая волна отразится. Или конец может быть открытым, тогда волна частично выйдет, частично отразится. Так происходит излучение звука флейты в окружающее пространство.
Волна резонансной частоты многократно отражается внутри трубки, получается явление «стоячей волны». То есть в инструменте возникает некая картина локальных разрежений/сгущений воздуха.
Флейта рассматривается, как трубка, открытая с обоих концов. (то, что отверстие свистка находится сбоку и не совсем на конце физиков не смущает :-) )

Резонансная частота зависит от размеров. Чем короче трубка, тем выше звук.

Как звук первоначально появляется загадочнее. Статей, где подробно это рассматривают меньше. Есть такая теория.
Поток воздуха направлен на острый клин. При этом он завихряется, возникает турбулентность. Завихрения улетают то над клином, то вниз. При этом образуется тихий белый шум. В белом шуме есть широкий спектр частот. Одна из частот является резонансной для трубки. Она усиливается и превращается в стоячую волну.

Теперь про передувание. Когда струя подается слишком интенсивно происходит эффект подавления первой гармоники. Звук повышается на октаву.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Частота звука зависит от размеров трубки. У флейты размер не меняется. Эффект дают дырочки. Есть разные подходы.
У блокфлейты делают маленькие дырочки. (кажется чтобы не было сильного влияния отверстий на тембр) Маленькая дырочка и эффект дает маленький. Поэтому их применяют в сложных комбинациях. Еще надо учесть, что канал блокфлейты - обратный конус (на дальном конце уже). Это усложняет акустику. Блокфлейту не удается точно рассчитать и смоделировать даже современным математикам с мощными компьютерами.

В 19 веке был применен другой подход. Инженер Теобальд Бем упростил акустику и получил возможность применять расчеты при изготовлении флейт.
Он сменил канал на цилиндрический, а отверстия сделал очень большими. По акустике отверстие близкое к диаметру трубки равнозначно отпиливанию трубки в этом месте.
Каждая нота получила свое отверстие. Большие отверстия нельзя закрыть пальцем, поэтому применяют систему механических клапанов. Так была изобретена поперечная флейта, которая профессионально применяется в современных оркестрах. У нее больше диапазон и технические возможности, чем у старинных. Но сильно изменился тембр. Он стал холодным. В разных странах новшество приняли не сразу. Были противники. Как говорится: что-то находим, что-то теряем.

Кстати аналог передувания у струнных инструментов - флажолет.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Теория-это когда все понятно,но ничего не работает. Практика-это когда все работает,но ничего не понятно.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Простите, но этот момент не имеет ничего общего с реальностью. Аэродинамика крыла самолета - это в первую очередь аэродинамика ламинарного потока, и никаких вихрей крыло образовывать не должно (это в идеале, на практике оно конечно порождает вторичные вихри, но к основной функции крыла они не имеют отношения).
Вообще острый клин сам по себе никаких вихрей в ламинарном потоке создать не может, единственное что он делает - это делит поток и меняет направление разделенных частей. А уже они ударяясь о неподвижный воздух вне флейты (и частично внутри нее) образуют завихрения. Это если ОЧЕНЬ грубо говоря.
Лабиум не образует вихрей, их образует мундштук как устройство, одной из частей которого является лабиум.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Найди в Нете описание "вихревой дорожки фон Кармана".
Нежно подуй на торец бумажного листа. Услышишь предельно высокий звук. Блок блокфлейты - это свисток и кусок трубки. Просто дуя в него, получаешь звучание той ноты, которая обусловлена длиной трубки у блока. Он будет выше чем любой звук блокфлейты без передува. Очень постаравшись, на блоке сопранки можно получить передув. Чем больше соотношение диаметра канала трубки и длины трубки, тем сложнее получить передув. Закрыв часть торца трубки пальцами, получишь передув с меньшими усилиями.

Если у тебя все хорошо с английским, загляни на этот сайт: http://www.recorderhomepage.net/design.html Смотри первый заголовок: Acoustics



Ой, да лано, все прекрасно понимают. Просты ты очень недолго искал информацию, где все объяснено "на пальцах". То есть, у тебя было ограничено время и спектр искомой информации. Месяц-второй "в теме" даст тебе прекрасное понимание процесса. :)

Не только отразится, но и инвертируется при этом (двигающееся сгущение стнет разрежением и наоборот).

Для общего понимания - равнозначно, но если ты распилишь флейту по отвертию, то она будет высить. И физиков этот вопрос заботит. И на тембр этот аспект тоже влияет (можешь сравнить двуки до, до-диез и ре на сопранке - до диез с маленькой дырочкой имеет отличный тембр, звук "неровный", "сипящий") http://www.chrysalis-foundation.org/...tone_holes.htm. С некоторой долей условности это можно понимать так: отражение/инвертирование волны происходит не в месте отверстия, в области между отверстием и торцом трубки, при этом чем меньше отверстие (и чем ближе оно к свистковому торцу), тем область больше. Интересно, что спектр основного тона при этом имеет более "пологий" вид, у него есть "тяжелый хвост" в направлении торца.

Изначально эти колебания-очень высокочастотны и очень "белошумны". Суть процесса установления звука втом, что порождаемые в трубке волны (порождаемые этими колебаними на лабиуме) начинают влиять "в ответку" и на сами колебания на лабиуме. То есть, волны упорядочивают колебания на лабиме в соответствии со своей частотой. Процесс достаточно скор, но его можно услышать на очень длинных флейтах (например, басовая оркестровка). Громкость звука там нарастает достаточно медленно и слышно как постепенно уменьшается громкость шипения ("белого шума").

Следует иметь ввиду, что сначала устанавливается не основной тон, а одна из низших гармоник (третья-пятая), и лишь потом одна из волн этой гармоники становится "сильнее". К слову, если лабиум сделать более острым и располагать его не "косым" образом, а так, чтобы ось потока воздуха совпадала с осью равнобедренного прямоугольника лабиума, то вход в основной тон через гармоники можно сделать даже отчетливо слышимым. Так, у многих кен лабиум не "косой", и они входят в звук более "свистяще".

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

О да, это тоже немаловажно. Изначально из мундштука не выходит ламинарный поток. Он уже имеет свою частоту колебаний вверх-вниз. http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbas...c/edge.html#c3

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Злое Сердце, Но их не клин создает, он качественное свойство потока не меняет.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Да, на счет крыла я сказал глупость. Пошел учить матчасть.
А ссылка отличная. Понятно,где и как образуются вихри.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Ужас, что еще можно сказать. Никогда не думал, что все так сложно... Читать про всякие вихри, мне рановато, пошел изучать, что такое ламинарные потоки и все такое =)


Наверно для меня лучше разобраться в начале с самим блоком.
Я взял бумажку дунул и сказать по правде, ничего того, что ожидал не произошло. Крмое тупого шипения, есть еще два звука. Звук типа начисто помытой головы или чистой чашки, некий скрип. =) И второй звук просто тихое подобие завывание ветра...

Может я чего то не понимаю, звук это волны грубо говоря распростроняющиеся по воздуху. Там типа если струну дернул она вибрирует и создает волны в воздухе которые доносят до нашего уха звук. А я взял блоки дунул в него, что вообще создало волны в среде?

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Сначала можно уточнить - что вы называете "блоки" ?
К примеру в этой фразе:
Волны в среде (воздухе) создал сам же воздух - грубо говоря (снова таки, очень грубо), воздух приводимый в движение вашим дыханием пройдя несколько изменений в характере движения образует вихри, по сути, набор кучи слабых источников звуковых волн. Тело флейты (то что с дырками) вводит в резонанс и усиливает нужные нам частоты, в основном которые мы и слышим.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Извини, это к какой фразе? :)

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Злое Сердце, К той что перед моим постом)

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Добрый день, ребята. Спасибо за интересные ссылки. Что-то начинает проясняться в моей глупой голове.

На мой взгляд,в канале мундштука формируется именно ламинарный поток. В этом его одна из основных функций.


Расчетные формулы тут: http://apeshnik.narod.ru/Gidravlika/gidrodin/gdn6.htm

Проведем расчет характера движения воздуха в канале блока деревянной сопранки HOHNER:

Сечение канала 10мм*2мм

Граница появления турбулентности - Re (число Рейнольдса) = 2000.
Остается открытым вопрос выбора определяющего размера. Это размер, от которого будет зависеть режим течения.
При течении жидкости в трубе или канале круглого сечения определяющим размером будет внутренний диаметр.
А если канал с живым сечением прямоугольный, овальный, треугольной или иной более сложной формы?
Наиболее распространенным решением проблемы является использование так называемого гидравлического диаметра.


Dг = 4*F/P

Где P – смоченный периметр площади живого сечения.

F – площадь живого сечения

Примем Dг=1.75*10-3м , динамическая вязкость воздуха при t=40 град. n=16,98*10 в минус 6-й степени м2/сек.

Re = u*Dг/n,

откуда

u = Re*n/Dг = 19,4 м/сек. Это 69 км/ч.


Т.е. до скорости 19,4 м/сек поток воздуха в канале ламинарный. Это такой плавный, слоистый поток без завихрений,
ультра- и инфразвуков. Правда,я не нашел данных о скорости воздуха в канале блокфлейты, но думаю,
что при игре она не достигает этой величины. Зоны циркуляции возникают только на местных
сопротивлениях (задиры, кромки перехода на другой диаметр и т.п.), Поэтому оправдана полировка канала.

Далее, на фотографиях вихревй дорожки фон Кармана видно, что изначально поток ламинарный,и за телом обтекания образуются вихри.
О чем можно было бы говорить,если бы тело обтекания находилось в турбулентном потоке? Что там вообще было бы видно?
Еще один хороший пример - флаг на ветру.Ветер - это безусловно ламинарный поток. Выйдете на берег моря в свежую погоду и
станьте лицом к ветру. Вы почувствуете ровный,без колебаний напор воздуха. Ездите на машине? Высуньте руку из окна и поствьте
ладонь перпендикулярно набегающему воздуху.
Флагшток действует как тело обтекания, а полотнище колышется под действием образовавшихся от флагштока вихрей.
Изначально их в потоке не было. А еще дым из трубы. Очень интересное в нашем случае зрелище.

На рисунках http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbas...c/edge.html#c3 видно, что из мундштука выходит именно ламинарный поток,
а вихри начинают образовываться от взаимодействия потока с неподвижным воздухом.Частицы, находящиеся на перефирии потока,замедляются,
отстают от своих соседей,находящихся ближе к оси потока. На мой взгляд, для нормальной работы генератора звука блокфлейты
необходимо, чтобы вихри образовывались в зазоре между концом блока и лабиума. Это обеспечит модуляцию потока
стоячей волной из резонатора , т.е. эффективную обратную связь на частоте резонанса столба воздуха .

Кстати,мой опыт изготовления флейты из ПВХ-трубки показал, звук напрямую зависит от обработки канала,по которому вдувается воздух.
Конструкция была простейшая. Водопроводная труба 1/2 дюйма была заглушена деревянной пробкой - цилиндром, усеченным плоскостью под
небольшим углом,ну как в детских деревянных дудочках. Сначала было только шипение. По мере обработки этой плоскости разными
наждачками сначала появился шипящий тон, а затем в какой то момент и чистый тон.
Похоже, что вихри, образующиеся в канале блока мешают образованию вихрей, которые образуются уже после выхода из канала.
Играя роль затравок,следующих хаотически,они сбивают правильную частоту и фазу образования наружных вихрей.
Именно наружные вихри обеспечивают чистый тон.
Ну вот,пока кажется все. Жду критики.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Начальное же образование выхрей - практически на кромке лабиума. Посмотри на картинки этой работы: http://handle.dtic.mil/100.2/ADA297994 Именно положение и конфигурация лабиума влияет на качество этих вихрей (сила, частота образования).

Качество обработки виндвея и длина виндвея влияют не столько на "образование вихрей после блока", сколько на расстояние, на котором поток сохраняет свою относительную однородность. Заметь: чем больше расстояние от конца виндвея до лабиума, чем короче виндвей, тем больше в звуке трубке будет "шипения". То есть, для работы лабиума нужно как раз относительная ламинарность потока.

А вот тот факт, что в открытой однородной среде практически невозможно создать ламинарный поток, лишь оказывает незначительную "дополнительную помощь" в "работе" лабиума. Очень незначительную, но она есть.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Так значит клин является телом обтекания и прождает за собой вихри ?
Ссылка отличная, мне теперь на неделю чтения.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Лабиум не выглядит как тело обтекания для классической формы дорожки фон Кармана (обтекание цилиндра, геде вихри образуются от перепада давления самого потока и областей за цилиндром, поочередно "образуя и заполняя" "пустоты") Это частный случай. Здесь вихри образуются до окончательного разделения среды лабиумом. То есть, косой лабиум направляет поток воздуха вверх, по Бернулли этот поток "прихватывает за собой" часть воздуха из начала резонирующего канала флейты. На этом месте образуется область пониженного давления. Область заставляет ламинарный поток направиться вниз и образует в начале резонирующего канала область повышенного давления, которая выталкивает ламинарный поток вверх. Так поток колеблется вверх и вниз, создавая области повышенного и пониженного давления над/за лабиумом в открытой среде и в начале резонирующего канала. Создание областей в начале резонирующего канала - это источник начальных звуковых волн (сначала очень слабых), которые бегают туда-сюда по трубке. При совпадении/несовпадении движения волн и образования областей повышенного и пониженного давления в начале резонирующего канала происходит усиление/глушение этих волн. Некоторые волны становятся настолько сильными, что уже влиют на образование областей повышенного и пониженного давления в начале резон. канала. Таким образом устанавливается звук. Самые сильные волны в результате становятся низшими гармониками и "глушат" все прочие волны, которые им "мешают". А самая сильная волна становится основным тоном. Вот и весть процесс звукообразования. Он, к слову происходит в условиях постоянного увеличения скорости потока воздуха (начало выдоха). При этом очень слабый поток (самое начало) даже не ламинарный.

Собственно, вихрь на лабиуме - это не причина звука, не источник звуковых волн, а следствие колебания потока верх-вниз, это форма, которую принимают составляющие ламинарного потока после их прохождения области лабиума.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Я понял...
Спасибо, Злое Сердце.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Ну и самый последний ресурс, который стоит просмотреть, это http://www.phys.unsw.edu.au/jw/fluteacoustics.html
Сам механизм образования звука описан здесь слабо, но есть описание "человеческим языком" всех прочих эффектов: "концевая коррекция", "частота отсекания", рассказано, почему работают вилочные аппликатуры, в чем разница больших и малых отверстий, почему маленькие отверстия дают "грязный" звук, а большие - "окрытый, яркий", как влияет коничность канала на высоту образуемых звуков, зачем медным инструментам (и некоторым деревянным) нужен раструб, как влияет материал флейты на тембр.

И основной плюс ресурса в том, что создатели описывают все с позиции звукового сопротивления, акустического импеданса, причем для классической, барочной и бёмовской флейты есть спектрограммы звуков различной высоты, причем, при различных аппликатурах. По ходу изучения материала можно искать подтверждение мыслей в спектрограммах.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

http://www.navaching.com/shaku/shakuindex.html - очень хороший сайт об акустике сякухати. Есть темы, связанные с настройкой передувов, выбором формы лабиума, канала флейты, выравниванием тембра на инструментах различного диапазона. Отлично дополнит материалы предыдущего сайта.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Крыло самолёта и вихри.

Принцип действия крыла.


Крыло, обтекаемое потоком воздуха, создает в нём возмущения, приводящие к отклонению воздушной массы потока вниз. Согласно закону сохранения импульса, это приводит к возникновению подъемной силы, направленной в противоположную сторону, т.е вверх.


Одним из популярных объяснений принципа действия крыла является ударная модель Ньютона: частицы воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью крыла, стоящего под углом к потоку, упруго отскакивают вниз («скос потока»), толкая крыло вверх. Данная модель учитывает закон сохранения импульса, но полностью игнорирует обтекание верхней поверхности крыла, вследствие чего она даёт заниженную величину подъёмной силы.

В другой популярной модели возникновение подъемной силы приписывается разности давлений на верхней и нижней сторонах профиля, возникающей согласно закону Бернулли. Обычно рассматривается крыло с плоско-выпуклым профилем: нижняя поверхность плоская, верхняя — выпуклая. Набегающий поток разделяется крылом на две части — верхнюю и нижнюю, — при этом верхняя часть вынуждена проходить более длинный путь, чем нижняя, вследствие выпуклости крыла. Исходя из условия о неразрывности потока, делается заключение, что скорость потока сверху крыла должна быть больше, чем снизу, что вызывает разность давлений и подъёмную силу. Однако, данная модель противоречит закону сохранения импульса, так как поток после крыла считается невозмущённым и неотклонённым. Кроме того, эта модель не объясняет возникновение подъёмной силы на двояко-выпуклых симметричных или на вогнуто-выпуклых профилях, когда потоки сверху и снизу проходят одинаковую длину.

Для устранения этих недостатков идеализации необходимо искусственно вводить циркуляцию скорости потока, что приводит к теореме Жуковского. Циркуляция скорости позволяет учесть скос потока и позволяет получать правильные результаты при расчётах.

Одной из главных проблем вышеприведённых объяснений является то, что они не учитывают вязкость воздуха, то есть перенос энергии и импульса между отдельными слоями потока (что и является причиной циркуляции). Так как этот перенос происходит со скоростью звука, то при расчёте дозвукового обтекания необходимо учитывать полное поле скоростей потока. Например, существенное влияние на крыло может оказать поверхность земли, «отражающая» возмущения потока, вызванные крылом и возвращающая часть импульса обратно — см. экранный эффект.

Также в приведённых объяснениях не раскрывается детальный механизм передачи энергии от крыла к потоку, то есть совершения работы самим крылом. Хотя верхняя часть воздушного потока действительно имеет повышенную скорость, геометрическая длина пути не имеет к этому отношения — это вызвано взаимодействием слоёв неподвижного и подвижного воздуха и верхней поверхности крыла. Поток воздуха, следующий вдоль верхней поверхности крыла, «прилипает» к ней и старается следовать вдоль этой поверхности даже после точки перегиба профиля — эффект Коанды. Благодаря поступательному движению крыло совершает работу по разгону этой части потока. Достигнув точки отрыва у задней кромки, воздух продолжает своё движение вниз по инерции вместе с массой, отклонённой нижней поверхностью крыла, что в сумме вызывает скос потока и возникновение реактивного импульса. Вертикальная часть этого импульса и вызывает подъёмную силу, уравновешивающую силу тяжести, горизонтальная же часть уравновешивается лобовым сопротивлением.

В реальности, обтекание крыла является очень сложным трехмерным нелинейным и зачастую нестационарным процессом. Подъемная сила крыла зависит от его площади, профиля, формы в плане, а также от угла атаки, скорости и плотности потока, числа Маха и от множества других факторов.

Жуковский показал, что механизм образования подъёмной силы можно описать в рамках модели идеальной жидкости (см. Жуковского теорема). Он ввёл понятие о вихрях присоединённых, связанных с крылом, и предложил схему обтекания (схему несущей нити), которая легла в основу всех вихревых методов расчёта крыла и воздушного винта, а Чаплыгина — Жуковского условие о конечности скорости на задней острой кромке профиля дало простой и универсальный подход к выделению решения, имеющего физический смысл. Согласно этой схеме, крыло заменяется одним прямолинейным присоединённым вихрем с переменной по размаху циркуляцией скорости Г, и с него по направлению невозмущенной скорости сбегает слой полубесконечных вихрей свободных, что обеспечивает выполнение теоремы о постоянстве циркуляции скорости.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

DED, А зачем ты привел выдержку из Википедии о подъемной силе крыла в ветке обсуждения принципов звукообразования во флейтах?

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

А к тому , что вихри на крыле все-таки есть. И без них внятно объяснить работу крыла не получается. Ктому-же вихри переносят энергию. И мне кажется, что это может быть полезно при осмыслении работы в т.ч. и флейты.
Если это не так, то можете удалить это сообщение.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

В основном предыдущее сообщение - это ответ на
это:

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Очень пакостное это слово... "кажется" :)
На самом деле - нет. Вихри сами по себе не имеют практически никакого отношения к механизму звукообразования на флейте. Вихрь - это побочный продукт, результат инертности и вязкости воздуха.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Еще кое-что интересное:

Эффект Коанды

Материал из Википедии — свободной энциклопедии


Эффект Коанды

Эффект Коанды — физическое явление, названное в честь румынского учёного Генри Коанды, который в 1932 году обнаружил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это объясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне пониженного давления. Аналогично и поведение струи газа. На основе этого эффекта строится одна из ветвей пневмоники (струйной автоматики).


Этот эффект создается за счёт зоны пониженного давления возле поверхности (струя прилипает к поверхности и движется по ней).

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Ну ладно, замолкаю...

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

...
Вспомним еще что прямая это кривая бесконечного радиуса.
(это никакого отношения к теме не имеет, просто нафига залазить так глубоко от темы, если хватало основных принципов? А то окажется - о ужас! - что флейта, такая твердая и привычная на самом деле на 99,999...% состоит из пустоты (кошмар!). К теме тоже не имеет отношения).

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

http://femto.com.ua/articles/part_1/0235.html
АЭРОАКУСТИКА

АЭРОАКУСТИКА - раздел физики, находящийся на стыке аэродинамики и акустики, в к-ром изучаются проблемы аэродинамич. генерации звука, акустики движущихся газовых потоков, взаимодействия звука с потоком и методы снижения аэрошумов. А. в осн. имеет дело со звуком, создаваемым аэродинамич. силами и возмущениями, к-рые возникают в самом потоке, а не приложенными извне силами или колебаниями, как в классич. акустике. Впервые теоретич. вопросы образования звука при движении потоков жидкости были рассмотрены Дж. Рэлеем (1877). Однако практич. применение А. получила позднее, после работ Л. Я. Гутина о шуме вращения винта (1936), Д. И. Влохинцева по акустике движущейся среды (1946) и M. Д. Лайтхилла (M. J. Lighthill) о шуме турбулентных струй (1952-54).

Аэрошумы можно разделить на два класса: образующиеся при смешении частиц среды в потоке и при обтекании потоком твёрдых тел. К первому классу можно отнести шум струи, ко второму - шум обтекания проводов (т. н. эоловы тона), винтов, вентиляторов и т. д.

Осн. причиной аэродинамич. генерации звука является образование вихрей (см. Вихревое движение)и их ускоренное движение в неоднородном поле течения при обтекании тел, помещённых в поток, а также при истечении газа в покоящуюся или движущуюся среду. Нестационарные составляющие потока в пограничных слоях около обтекаемых тел или в свободных слоях, таких как зона смешения струи, приводят к непрерывной генерации вихрей и увеличению турбулентности потока. Вследствие сжимаемости среды часть энергии потока уходит на бесконечность в виде акустич. излучения.

Источники звука локализуются в тех областях потока, где завихренность и градиенты энтропии отличны от нуля; вне этих областей звук только распространяется, взаимодействуя с безвихревым изоэнтропийным осн. потоком.

Для турбулентных струй применяется аналогия Лайтхилла, согласно к-рой значения энтропии и плотности струи считаются постоянными и равными значениям этих величин в окружающей среде, а также считается, что излучение звука струёй происходит в неподвижную среду; обратное воздействие излучённого звука на поток при этом не учитывается.
Предположения, лежащие в основе теории Лайтхилла. справедливы при малых числах M потока (M - Маха число ).
Для дозвуковых турбулентных струй Лайтхилл установил подтверждённый впоследствии экспериментально "закон восьмой степени" зависимости мощности шума от скорости истечения струи. В результате для турбулентной струи оказалось возможным найти спектр шума, создаваемого всей струёй и её отд. участками, расположенными на разл. расстояниях от начала истечения.

Турбулентная струя создаёт широкополосный, практически сплошной шум; максимум звуковой мощности наблюдается при Струхаля числе Sh=fD/v (где D и v - диаметр и скорость струи в нач. сечении на выходе из трубы, сопла, f- характерная частота звуковых колебаний). Вблизи выходного сопла излучается высокочастотный шум, вдали - низкочастотный. Осн. часть звуковой мощности (~80%) генерируется участком струи длиной, равной 10 диаметрам струи на выходе из сопла.

Аакустич. энергия струи составляет всего 0,1% её кинетич. энергии.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

DED, чтобы проиллюстрировать этот процесс, достаточно просто с силой выдохнуть воздух. Получившийся шум - это и есть образование звука при выходе из сопла... Этот же эффект служит одной из основных причин ясно различаемого "шипения" безсвистковых флейт. На резонаторе (трубке) можно получить тихий звук даже при отсутствии лабиума. Но шума в этом звуке будет больше, чем "отсортированного" звука, причем "сортироваться" будут вторая-третья гармоника.
И еще раз (надеюсь, последний). Вихрь - это форма движения. А звук, как колебательное сонаправленное движение молекул (то есть, воздух в результате звука никуда не движется), образуется от перепада давления. При описанном тобой процессе области повышенного и пониженного давления образуются из-за того, что потоки (!) воздуха "соударяются" друг о друга.

Я тебе еще раз настоятельно рекомендую прочитать вот это:
, и перестать искать черную кошку в темной комнате при условии того, что её там нет :)

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Тут вот какое дело.Выдохнуть-не значит понять как это происходит.
Во первых, мне не было понятно, каким образом кинетическая энергия струи (энергия движущихся в одном направлении частиц воздуха) преобразуется в акустическую волну( колебательное движение). Аэроакустика говорит, что генерация звука струей связана с вихрями.Я понимаю,что вихрь - это еще движение,а не звуковая волна.Но у вихря, как у объекта,есть колебания границы,сопровождающееся например, изменением объема ядра(очень грубо). Именно колебания вихрей порождают звуковые волны. Они являются своего рода преобразователями кинетической энергии струи в колебательную.
Во вторых, краевые тона прекрасно генерируются даже без резонатора, только с соплом и клином. Значит, роль резонатора в данном случае вторична. Он может только стабилизировать частоту. Плоские струи;краевые тона. стр.112 Е.Голдстейн. Аэроакустика. Москва. Машиностроение 1981г.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Там же:

2.5.3. Низкоскоростные струи.Регулярные структуры

При очень низких числах Рейнольдса течение в струе ламинарное, и струя не генерирует звук. Однако при увеличении числа Рейнольдса струя становится неустойчивой по отношению к малым возмущениям, и возникает нестационарный периодический по-
поток.
Плоские струи; краевые тона.
Сначала рассмотрим струю, истекающую со скоростью Uj из длинной щели высотой h в неограниченную покоящуюся среду. Когда число Рейнольдса QoUjh/ц становится большим 100, поток становится неустойчивым по отношению к возмущениям в определенном диапазоне частот и начинает колебаться, принимая синусоидальную форму. Такого рода нестационарность приводит к генерации шума типа шипенья, максимум
спектра которого наблюдается вблизи частоты f = 0,055Uj/h.Такой звук можно преобразовать в звук чистого тона существенно большей интенсивности, который называется «краевым тоном»,если поместить на некотором расстоянии от щели клин, как -
показано на рис. 2.25. Эти тона, имеющие место при генерации звука во флейте или органных трубах, достаточно полно исследованы как теоретически, так и экспериментально. Экспериментальные исследования показывают, что колебания струи связаны с дискретными вихревыми образованиями, которые попеременно срываются с верхней и нижней части вершины клина, как показано на рис. 2.26. Обычно полагают, что генерация этих тонов относится к механизму обратной связи, который очень похож на механизм, имеющий место в случае генерации свиста в струе (см. с. 108 ). Однако в этом
случае излучение акустических волн появляется в результате распространения вниз по потоку возмущений, набегающих на клин. Как и в случае генерации свиста в струе, падение акустической волны на кромку сопла порождает новое возмущение, которое продолжает цикл. Более того, процесс и в этом случае остается незатухающим вследствие того, что неустойчивость потока обеспечивает подвод энергии к распространяющимся возмущениям.
При любых заданных скоростях потока существует минимальное расстояние между клином и щелью, при котором может возникнуть дискретный тон. При расстояниях, больших минимального, частота тона возрастает с ростом скорости и уменьшается при
увеличении расстояния между клином и соплом до тех пор, пока нe достигаются условия, при которых появляется заметная нерегулярность потока. При этом наблюдается резкий скачок частоты дискретного тона. Дальнейшее увеличение расстояния или скорости при-
приводит к постепенному изменению частоты тона до появления второго скачка и так далее. Когда процесс проходит в обратном направлении, вновь имеют место скачки частоты, но уже при несколько других значениях скорости и расстояния.
Осесимметричные струи; дискретные тона. Когда струя, истекающая из круглого отверстия диаметром D, становится неустойчивой, вихри на краю отверстия сворачиваются в вихревые кольца (которые переносятся вниз по потоку), и струя принимает вид, показанный на рис. 2.27. Такая картина наблюдается при значениях
числа Рейнольдса 160 <.q0U ft [>ц<.\200. Более явная периодическая картина получается при истечении струи из отверстия в трубку. Такая периодичность может привести к генерации звука чистого тона. Однако, чтобы получить резкий тон, который не чувствителен к малым изменениям формы отверстия, следует продувать струю через
две пластинки с отверстиями (соответствующей формы и расположенных на соответствующем расстоянии). Такой механизм приводит к генерации звука в некоторых духовых инструментах и при свисте человека.
Картина течения, имеющая место при истечении струи из круглого сопла, подобна картине, наблюдаемой при истечении струи из отверстия, при этом неустойчивость струи приводит к развитию колебаний от синусоидальных к спиральным и даже к образованию
цепочки вихрей. При увеличении числа Рейнольдса выше 1200 течение в струе становится турбулентным, и периодическая структура постепенно исчезает. В этом случае развитие струи происходит таким образом, как показано на с. 93. Однако имеются предположения [45, 46], что характерные для малых скоростей периодические структуры сохраняются (даже при больших числах Рейнольдса) в форме крупномасштабных регулярных турбулентных структур, и они могут играть непосредственную роль в генерации шума высокоскоростными струями. Так, проведенные Молле Кристенсеном [46] измерения показали, что вне турбулентной струи пульсации давления состоят из хорошо различимых более или менее идентичных волновых пакетов, при этом единственной случайной величиной является относительное положение пакетов.
Струи, чувствительные к внешнему воздействию. Когда струя близка к турбулентному режиму, она весьма чувствительна к гармоническим тонам. Рэлей [8] связывал такое поведение струи с возбуждением звуковыми волнами в плоскости среза сопла неустойчивых волн в окружающем струю вихревом слое. Со времени первого наблюдения в 1850 г. колебаний пламени газовой горелки под влиянием звука виолончели явлению «чувствительных струй» посвящены многочисленные исследования. Недавно было показано, что даже турбулентные струи могут быть неустойчивыми к некоторым
типам возмущений. Так, Кроу и Шампань [45] показали, что плоские волны, падающие на срез сопла — начальное сечение струи(изнутри сопла), могут привести к генерации рассеивающихся волн,которые усиливаются средним потоком при распространении вниз
по потоку.
http://blf.ru/forum/attachment.php?a...1&d=1274953656

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

http://www.aviaport.ru/digest/2007/07/11/124071.html

Охота на звуковые фантомы
Шум вихревого кольца напоминает свист пролетающей мимо пули.


Единственная физическая проблема, которая была поставлена в XIX веке и не была решена в XX, - проблема турбулентности. Очень много выдающихся ученых занимались этой проблемой: Гейзенберг, Рэлей, Ландау, Колмогоров и многие другие. Тем не менее проблема остается нерешенной.

Так что такое это самое - "вихревое кольцо"?

- Грубо говоря, это бублик, в котором сосредоточена завихренность. Бублик этот в силу уравнений динамики обладает определенной упругостью и способен поддерживать множество различных колебаний. Он движется в пространстве, окруженный эллипсоидальной оболочкой (так называемой атмосферой кольца). Оказывается, что вся оболочка заполнена турбулентной жидкостью, а само ядро остается ламинарным, невозмущенным, перемешивания в нем нет. Граница между ламинарным и турбулентным течениями - резкая. И это удивительно для замкнутого объекта! Кстати, и на компьютере это пока не рассчитывается, хотя такие попытки были.

По нашему мнению, это течение является ключевым и в аэроакустике. Поскольку шум "сидит" необязательно на наиболее интенсивных пульсациях, а на скореллированных по пространству, иногда очень слабых возмущениях. Даже в отдельном вихре шум связан с ничтожными колебаниями ядра, а не с видимыми турбулентными пульсациями в оболочке (кстати, тоже вызванными колебаниями ядра). Для вихревых колец у нас в ЦАГИ были поставлены уникальные эксперименты, в которых мы измеряли шум отдельно летящих вихрей. Это дало возможность проверить основной сценарий теории, поскольку в этом контексте шум является уникальным бесконтактным методом диагностики турбулентности и механизма ее возникновения.

- То есть этот "бублик", помимо того, что он имеет сложную структуру, еще и шумит?!

- Да. Кстати, это нетривиальный вопрос - а почему он шумит? Шум кольца напоминает свист пролетающей мимо пули. Согласно классическим представлениям, спектр его шума должен быть широкополосным - летит же заполненный турбулентностью эллипсоид, а там все частоты, все масштабы присутствуют. А спектр, оказывается, имеет четко выраженный пик, некий горб шириной порядка 300 Герц. Поэтому обычные представления для понимания механизма генерации шума в таком объекте не годятся. В турбулентной струе таких вихрей - миллионы, они живут, саморазрушаются, взаимодействуют друг с другом. Здесь - целая иерархия механизмов, и излучение собственно вихрем - один из них.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

По моим представлениям, генерацию звуковой волны вихрем очень грубо можно объяснить следующим образом. Внутри вихревого кольца давление понижено за счет того, что периферийные слои движутся вокруг центра, и частицы воздуха отбрасываются к периферии вихря (вспомним атмосферные циклоны). Момент образования вихря и есть момент излучения акустической волны, т.к. образуется скачок давления, который распространяется со скоростью звука во все стороны от вихря.
Этот случай соответствует монопольному источнику.
Излучение собственно вихря ,согласно Лайтхиллу, соостветствует квадрупольному источнику звуковых волн.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Здесь,на форуме я читал перевод статьи Молленхауэра об устройстве БФ.
И мне вспомнились такие слова как генераторный тон и резонаторный тон:

http://blf-ru.4427.wafiqa.cit-networ...ead.php?p=8442

Оба колебания как на лабиуме (генераторное колебание), так и в трубе(резонаторное колебание) создают вместе флейтовый тон (или тон флейты, не знаю как правильнее). Будет ли тон звучать выше или ниже, зависит от длины колеблющегося столба воздуха. См. рис. 2

Длина трубы флейты определяет основную настройку инструмента. Музыкант меняет столб воздуха путём закрывания или открывания отверстий в корпусе и переходя к более высшим октавам.
В блок флейте в первую очередь колеблется воздух, а затем дерево, как на струнных инструментах, где оно как корпус-резонатор влияет на тембр. Поэтому для флейты существуют такие основные факторы: способ изготовления, масса и общая конструкция всего инструмента(для качества и тембра важнее чем дерево).
Тем не менее дерево влияет на характер тембра флейты. С помощью специфической структуры создаёт гладкую поверхность лабиума, воздушного канала и внутри всей флейты.
Эти поверхности и их характерная, микроскопическая тонкая структура влияют на тонообразование возникающих завихрений и колеблющегося столба воздуха – то есть на тембр.....

Вполне возможно,что краевой тон(генераторный) и резонансная частота
резонатора должны находиться в определенных соотношениях, чтобы произошел "захват" частоты краевого тона резонансом резонатора(прошу прощения за тавтологию). Т.е. я хотел сказать, что резонатор способен "затягивать" частоту краевого тона только в определенном диапазоне частот.

И еще эта статья наталкивает на мысль, с учетом того, что мы теперь знаем о роли вихрей, что разница в звуке пластиковых и деревянных инструментов может быть обусловлена в том числе и степенью шерховатости поверхностей, с которыми взаимодействует поток. Дерево более шерховато, и поток содержит больше микротурбулентностей,он в силу этого при прочих равных условиях потенциально более неустойчив, в результате больше шумовая компонента, и тембр более мягкий. Но тут должны сказать свое слово практики, которые играли на разных инструментах.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Если не трудно помогите понять про стоячие волны. На все эти завихрения на данный момент я забил, принял как факт, что струя вибрирует и все.

Вот смотрите, в интернете в пример приводят шнурок, один конец которого закреплен неподвижно. Мы двигаем рукой, образуются волны, потом когда волна доходит до закрпленного конца, она "отражается" и идет на встречу другой волне и гасит её. Образуется стоячая волна. Все понятно, логично и главное можно представить.

Далее написано, что если увеличить частоту движения руки, то в стоячей волне образуется больше пучностей и узлов. Вот это у меня в голове не укладывается. Как так? Вот идет волна, доходит до неподвижного коцна, отражается и гасит ближайшую к ней волну. И на мой взгляд всё! Как она может погасить все остальные волны? Как бы, как могут идти по шнурку сразу две волны причем в противоположные стороны?

http://physel.ru/mainmenu-48/mainmenu-53/557-s-47-.html вот рисунок второй, изображение справа. Там хоть и написано, что рукой этого достичь невозможно. Я честно говоря не смог и один узел сделать, как не махал ни шнурками, ни цепями, ни нитками.

Если вернуться к блокфлейте. Мы закрыли все отверстия, дунули, в трубке образовалась волна, отразилась и ровно по середине трубки образовался узел, так?
А дальше что? Вот эта часть воздушного столба, что между торцом блока и узлом и есть то, что и предлагают представить как струну? Т.е. именно вот эта часть столба и дает на Альте Фа первой октавы?

Тут в начале темы писали, что есть где то книга, где в пример приводят трубки органа. Если не сложно подскажите, где почитать. А то поисковик находит органы человека.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Сережа, полная каша.

обычно человеку сложно понять, что волны не гасят друг друга. Они накладываются друг на друга. Брось в воду два камешка - что круги от одного погасили круги другого? Нет, волны проходят друг через друга.

Стоячая волна - это явление, которое мы регистрируем когда разные периодичные волны друг на друга накладываются. Посмотри даже Википедию, в этом случае она не врёт :)

То есть, стоячая волна сама по себ не существует, это лишь интересный эфеект наложения волн. Акустикам и флейтистам рассматривать это понятие удобно для определения места октавных отверстий. Но для понимания механизма работы блокфлейты от этого явления нужно отречься :)

По трубке блокфлейты бегают десятки относительно стабильных волн, раз за разом усиливаемых звуковозбудителем в свистке. Вместе они образуют достаточно сложную стоячую волну, значительно сложнее, чем та, которую рисуют в учебниках.

http://www.phys.unsw.edu.au/jw/fluteacoustics.html - читай. Расписано там понятнее некуда.

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Злое Сердце, откуда вы все это знаете? Вы что всю библиотеку перечитали? Серьезно, неужели вы из чистого интереса так освоили всю физику флейт или это где то преподавали?

Просто я например не являюсь гуманитарием и там более менее хоть чуть чуть но физику знаю. Но например на вашем фоне, я понимаю, что вообще ее не знаю... Если вы по книгам так освоили то это конечно круто! Очень круто!

Re: Подскажите принцип действия флейты
 

Сережа, да, ради интереса. Просто "по сладу ума" таков: "Хочу все знать".

Проблема в том, что сейчас не сущствует ни одного пособия, которе однозначно и полно, но при этом с минимумом формул, а только лишь с объяснением логики картины, давало бы четкое понимание "стороннему" человеку, почему же звучат духовые.

Физики увлекаются обсчитванием мензуры, их книги испещрены формулами, описывающих звуковое сопротивление для той или иной формы внутреннего канала, мундштука, трости. Мастера-инструментоделатели делятся инфой, как сделать так, чтобы инструмент звучал "лучше" (а это уж очень растяжимое понятие). Музыканты друг сдругом делятся совершенно бесполезным опытом, спорят у кого дудка звучит "волшебнее" (при этом каждый из них играл отсилы на 2-3 однотипных дудках). Пересекаются они очень редко.

Основная проблема для создания целостной, но "без математики" картины - это совмещение в одном человеке:
а) широкой практики игры на инструментах (и на язычковых, разных, и на медных, разных, и на флейтах, тоже разных), что дает слуховой результат "параметры инструмента+используемая техника=звук". Короче, нужны слуховая практика и, хотя бы, незначительные успехи в игре на множестве разных дудок.
б) владения курсом физики немножко шире, чем на школьном уровне (и даже не столько владение, сколько желание постигать) - ведь даже разобраться с тем, что такое звук разной частоты - многим уже не под силу, а если наложить на это обертоны-гармоники, то большинство музыкантов просто забрасывают желание разобраться, для них это сложно.
в) умения не отвлекаться в мистику, а строить конкретные четкие теории и обосновывать их.

Вот, например, DED никак не может поверить, что звук инструмента определяется именно трубкой, ему кажется, что звук образуется в свистке, а резонатор лишь "увеличивает" громкость. То есть, ему сложно понять механизм взаимодействия звукообразователя и резонатора, осознать, что они могут "работать" лишь вместе. В результате он морочит голову таким новичкам как ты и копипастит не к месту неудобочитаемые и широчайшие куски акустического текста.

Я, как сумел, попытался объяснить новичку почему звучит панфлейта и почему звук у разных панфлейт разный. Мне сейчас очень хочется улучшить это описание четкими графическими результатами измерений, но для этого нужно найти бесплатную звуковую лабораторию и завалиться туда с десятком панфлейт на пару дней. В далеких же планах - книга вроде "Почему и как звучит флейта: выбираем себе дудку". Но в очень далеких :)