Vibračné struny a vzduchové stĺpy vo Physik Schülerlexikon Lernhelfer

Rad hudobných nástrojov produkuje zvuk vibrovaním strún alebo stĺpov vzduchu. Príkladom strunových nástrojov sú gitary, husle, violy, klavíry alebo harfy. Vibračné vzduchové stĺpy nájdete napr. B. s orgánmi, klarinetmi, saxofónmi, trúbkami alebo trombónmi.
Frekvencia vibrácií a tým aj výška výsledného zvuku je okrem iných. závisí od dĺžky strún alebo vzduchových stĺpov.

Vibračné struny

Pomocou vibrujúcich strún je zvuk generovaný v gitarách a mnohých ďalších nástrojoch. Nástroje majú zvyčajne niekoľko strún, aby bolo možné priaznivým spôsobom generovať rôzne vysoké tóny. Takže z. B. gitara (obrázok 2) so 6 strunami, každá z strún vibruje na určitej frekvencii, ak je gitara naladená správne a príslušné struny nie sú skrátené. Husle majú 4 struny, klavír toľko strún, koľko je klávesov.
Pre vibrujúce struny platí všeobecné pravidlo, že frekvencia ich vibrácií je vyššia a výsledné tóny sú vyššie,

- tým väčšia je sila, ktorou je struna napnutá,
- tým kratšia je,
- tým menší je ich prierezový povrch a
- tým menšia je hustota látky, z ktorej je vyrobená.

Rovnica pre frekvenciu f vibračnej struny je:
f = 1 2 l F ρ ⋅ A l dĺžka struny F napínacia sila ρ hustota materiálu, z ktorého je struna vyrobená A Plocha prierezu struny

Struny sú stimulované, aby vibrovali trhaním, nárazmi alebo poklonami. Na použitie nástroja, napr. B. na vyladenie gitary alebo klavíra zmeníte napätie príslušnej struny.
Ak chcete na nástroji vyrobiť noty rôznych výšok, použite buď rôzne struny (príklad: klavír), alebo skrátite efektívnu dĺžku struny ručne (príklady: gitara, husle).

Hojdajúce sa stĺpy vzduchu

U trúbok, trombónov, píšťal alebo orgánov je zvuk spôsobený vibrujúcimi stĺpmi vzduchu. Frekvencia výsledného zvuku závisí od dĺžky vzduchového stĺpca a od toho, či vzduchový stĺpec vibruje v trubici, ktorá je otvorená na jednej alebo na oboch stranách.
Všeobecným pravidlom pre vibrovanie vzduchových stĺpov je, že čím kratší je vzduchový stĺpec, tým vyššia je frekvencia kmitania a tým vyšší je tón.

Ak je stĺpec vibrujúceho vzduchu v trubici uzavretej na jednej strane, ktorá sa nazýva uzavretá trubica alebo uzavretá trubica, potom pre frekvenciu f platí toto:
f = c 4 l c rýchlosť zvuku l dĺžka vzduchového stĺpca

Dĺžka vzduchového stĺpca pre základný tón je štvrtina vlnovej dĺžky zvukových vĺn.

Ak sa v potrubí, ktoré je otvorené na oboch stranách, nachádza vibračný stĺpec vzduchu, takéto usporiadanie sa nazýva otvorené potrubie, potom pre frekvenciu f platí toto:
f = c 2 l c rýchlosť zvuku l dĺžka vzduchového stĺpca

Dĺžka vzduchového stĺpca pre základný tón je polovica vlnovej dĺžky zvukových vĺn. To znamená: Ak sú uzavretá a otvorená rúrka rovnako dlhé, ich frekvencie sú 1: 2.
Rozstup otvorenej píšťaly môžete znížiť zväčšením dĺžky - najdlhšie píšťaly pre organy produkujú najnižšie tóny. Stúpanie otvorenej rúry je možné znížiť aj čiastočným zakrytím horného otvoru rúry. Toto je technika, ktorá sa používa pri ladení varhanových píšťal.

Stanovenie rýchlosti zvuku

Rýchlosť zvuku vo vzduchu je možné určiť pomocou rovnice v = s/t meraním vzdialenosti, ktorú zvuk urazí v určitom čase.
Ďalšou možnosťou je nechať vibrovať stĺpec vzduchu. Namiesto generátora tónovej frekvencie s reproduktorom možno na excitáciu použiť aj ladičku. Je len dôležité poznať frekvenciu, s akou je vzduchový stĺp vzrušený vibrovať. Zdroj zvuku musí byť umiestnený priamo nad hornou časťou potrubia.
Sklenená trubica, ktorá je otvorená z oboch strán, je vo vode. Dĺžku stĺpca vzduchu, ktorý vibruje, je možné zmeniť zdvihnutím alebo spustením potrubia. Usporiadanie zodpovedá usporiadaniu uzavretej rúry.

Zvuk, ktorý vydáva zdroj zvuku, dopadá na povrch vody a odráža sa tam. V určitej dĺžke vzduchového stĺpca sa vytvorí stojatá vlna. Potom je v hornej časti skúmavky antinóda. V uvedených prípadoch je tón, ktorý počujete, obzvlášť hlasný. Je to presne tak, keď má vzduchový stĺp dĺžku
1 4 λ, 3 4 λ, 5 4 λ atď. (všeobecne: l = 2 n + 1 4 λ) .
Vlnovú dĺžku je možné určiť z dvoch meraní. Ak poznáte vlnovú dĺžku a excitačnú frekvenciu, môžete vypočítať rýchlosť zvuku vo vzduchu pomocou rovnice v = λ ⋅ f. Ak použijete z. B. zdroj zvuku s frekvenciou 1 000 Hz, potom dĺžka vzduchového stĺpca pri 1. maximálne 8,0 cm a pri 2. najviac 25,5 cm. V dôsledku toho je to polovica vlnovej dĺžky
25,5 cm - 8,0 cm = 17,5 cm
a teda vlnová dĺžka 35,0 cm. To má za následok rýchlosť zvuku vo vzduchu:

v = λ ⋅ f v = 0,35 m ⋅ 1 000 Hz v = 350 m s