Подскажите принцип действия флейты

[Злое Сердце]

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:

Сообщение от Злое Сердце

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.

, и перестать искать черную кошку в темной комнате при условии того, что её там нет :)

[DED]

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.

[DED]

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.

[DED]

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.

[DED]

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.

[DED]

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.

[Сережа]

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.

[Злое Сердце]

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.

[Сережа]

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!

[Злое Сердце]

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 :)