Sangtast

Sangtast

Alexander Berdnikov
"Quantic" №9, 2016

Få en metal-nøgle af omtrent samme form som i billede 1. Det kan laves til at ringe på forskellige måder. Du kan hænge nøglen på en tynd tråd og let ramte den med noget hårdt. Sandsynligvis udsender nøglen en ren høj note. Og nu sætter vi det på fingeren (som i billede 1), og vi vil smide et stærkt klik, som om at caste masser. Lyden vil være omkring samme højde, men mærkbart "snavset", som om nogen havde trykket et par tilstødende nøgler på klaveret. Hvorfor sker det her?

Måske blev nøglen på tråden slået forsigtigt, og derfor var lyden klar, og nøglen kastede op klikket hårdt – så det rattles? Nej, forklaringen er en eller anden måde meget vag, og den står ikke den enkleste test. Nemlig vil vi forsøge at vende nøglen med forskellige klik: Hvis du klikker strengt på midten, som i billede 2, og ikke på siden, bliver lyden mærkbart renere.

Måske det hele afhænger af, hvor vi rammer nøglen? Lyden var beskidt, da den ramte siden, og lyden var klar, når den ramte midten, er det ikke svaret? Men hvorfor er banen i begge tilfælde det samme? Det er ikke tilfældigt for simpelt tilfældighed: Du kan smide nøgler af forskellige former, men højden af ​​ringingen af ​​hver af dem viser sig at være konstant, uanset hvordan du klikker på den.Og du kan kontroversere og slå nøglen på en streng, så den hurtigt spinner rundt om sin akse, som når man smider masser, men hænger ganske glat (uden at springe). Så generelt kan du høre, hvordan den oprindeligt beskidte jingle bliver renere, så længe nøglen stopper.

Det betyder, at lyden af ​​en spindingstast simpelthen er den forvrængede lyd af en nøgle, og det er nøglrotationen, der er vigtig, ikke den særegne af slagtilfælde. Du kan se, at jo hurtigere nøglen roterer, jo større er forvrængningen. Et sådant fænomen er almindeligt kendt – dette er Doppler-effekten: Jo hurtigere noget nærmer dig, jo højere dets lyde (og hvis det er slettet, jo lavere). Husk f.eks. Hvordan lyden af ​​en bil eller en motorcykel, der rusher forbi, ændres. Også i en roterende nøgle nærmer os den ene halvdel, og den anden flytter væk. Det viser sig, at vi skal høre to i stedet for en note: en – lidt højere end den oprindelige (fra den nærliggende del), den anden – lidt lavere (fra bevægelsen væk).

Fig. 1

Lad os se på spektrogrammet (figur 1). Det viser frekvenserne udgivet af en nøgle, der hænger på en tråd og rammes på siden (højden af ​​noten er plottet lodret, tiden er vandret, frekvensen måles i hertz (Hz), jo højere lydfrekvens jo højere er noten). To lyse linjer, det vil sige to noter, er faktisk synlige i figuren.Nøglen, vridning af tråden, stopper hurtigt, og spektrogrammet viser, hvordan frekvenserne nærmer hinanden, fusionerer ind i en. Når nøglen stopper, begynder tråden at dreje den i modsat retning, og på spektrogrammet afviger de notater, der er samlet sammen igen.

Selvom forklaringen af ​​lydforvrængning ved hjælp af Doppler-effekten blev understøttet af et spektrogram, har det mange inkonsekvenser. For at finde den første af dem, kast nøglen, så dens rotationsakse er rettet omkring dig. Doppler-effekten bør forsvinde – afstanden til en hvilken som helst del af nøglen ændrer sig næsten ikke. I praksis forbliver lyden lige så snavset (afstanden mellem tætte frekvenser falder ikke), selv om det bliver mere støjsvagt.

Fig. 2

Den anden uoverensstemmelse er klogere. Til at begynde med gør faktisk nøglen, selv uden torsion, mange noter, men langt fra hinanden. Normalt bemærker vi kun den laveste lyd, og de andre opfattes som dens farve, timbre. Men de er ikke desto mindre ret virkelige, og hver nøgle er delt, når nøglen drejes. Og hvis det var Doppler-effekten, ville splittelsen af ​​høje toner være større end den nederste. Dette følger af Doppler-effektens egenskab: Ved en given hastighed ændrer den alle frekvenser i samme antal gange (siger 3% for en hastighed på 10 m / s), og splittelsen ved to gange så høj og så videre. Lad os dog se spektrogrammet i figur 2. Tre noter af tastens ping er umiddelbart synlige: de vigtigste lavere lyse) og to højere (kedelig). Hver af dem på grund af drejningen af ​​nøglen er faktisk opdelt i to. Og selv om hyppigheden af ​​de originale noter varierer betydeligt, er afstanden mellem deres "efterkommere" næsten den samme. Og det er slet ikke som Doppler-effekten.

Og den tredje uoverensstemmelse: Er Doppler-effekten virkelig nødt til at lave to af hver note? Vi sagde, at i en roterende nøgle flytter halvt til os, halvt fra os, men det er meget unøjagtigt. Det er trods alt ikke rigtigt, at alle dele, der bevæger os hen imod, nærmer sig med samme hastighed. Hver del af nøglen har sin egen hastighed: den der er tættere på aksen er langsommere; den der kommer næste er hurtigere. Lyden fra hver del vil som følge heraf skifte med sin egen størrelse, således at notatet ikke vil blive splittet i to, men snarere "smøre".

Fig. 3

Men hvorfor er hver nøgle note delt i to? Lad os gå fra den anden ende. Hvordan virker den beskidte lyd af tætte noter? En ren note er fluktuationen af ​​lufttryk ved en fast frekvens (dens graf er rød i figur 3a, P – tryk, T – tid).Hvis vi tilføjer en anden lyd, med tæt frekvens (blå i figur 3a), vil deres bidrag til lufttrykket udvikle sig. Antag, at på et tidspunkt, de svinger næsten samtidigt, så der er dobbelt så store udsving (højere lyd). Det kan ikke vare længe: hastigheden af ​​vibrationerne fra en lidt anderledes, så de snart vil begynde at sprede og ophæver hinanden, i stedet for at styrke (lyden vil være væk). Efter en tid synkroniseres oscillationerne og så videre. Resultatet bliver som en enkelt note, som beroliger sig, så dukker op igen1 (graf i figur 3b).

Denne sidste bemærkning kan formuleres til at repræsentere forskellige (figur 3c.): Our grøn graf (summen af ​​to nære noter) ligner lyden af ​​nogle mellemfrekvens (lilla), der varierer med tiden volumen eller "sweep" svingninger ( "swing" afbildet som sort grafik). Den centrale del af tidsplanen er virkelig grøn og det viser sig lilla, men den højre og venstre for midten af ​​den grønne og tidsplanen blev endda "vendt" i sammenligning med lilla.

I dette er vores observation den vigtigste ide om løsningen.Lad os prøve at forstå og forstå den fysiske betydning af det tegnebillede.

Vi har en konstant frekvens note (lilla graf): dette er nøglering. Når nøglen ikke roterer, hører vi denne rene note. Nu skal vi forstå, hvorfor volumenet begynder at svinge, hvis nøglen er tændt. Dette er også nemt: for eksempel når nøglen vendes til os "ansigt" (det vil sige vi ser vinkelret på sit fly), lyder nøglen på os med hele overfladen, og ringen er høj. Så bliver det til os kant, vi "lytter" til sin lille overflade, og ringen bliver tavs. Derefter vender nøglen videre, og ringen vil igen vende tilbage til fuld lydstyrke og så videre. Disse ændringer ses let i en slow-spin-nøgle.

Fig. 4

En sådan forklaring er helt i overensstemmelse med den centrale del af figur 3c. Og hvor kommer "sving" af lyd ved kanterne fra? For at forstå, lad os male mentalt en side af nøglereddet. Overvej f.eks. Oscillationer af denne type: nøglernes ender vil være ubøjede i den malede retning og midten i det ublegede og derefter omvendt (øverste række i figur 4). Sådanne udsving vil give en ensartet bemærkning. Husk nu, at vores nøgle også roterer (nederste række i figur 4).Og efter at nøglen har lavet en halvturnering, vil bøjningerne, som er de samme ud fra selve selve nøglen (ekstrem i begge rækker i figur 4), vise sig at være "modsatte" for os. Dette betyder, at lyden efter en halvturnering ikke kun vil returnere lydstyrken til sig selv, men oscillationerne vil "skifte skilt" (den roterende nøgle vil ringe "i foden" med den faste og derefter i den modsatte retning med den). Det er det vi ser i figur 3c: Lilla og grønne grafer er næsten ens, så næsten modsatte.

Som følge heraf giver disse ændringer i amplituden af ​​en ren note, som vi har set, det samme resultat som tilføjelsen af ​​to tætte noter (dette er blot en anden beskrivelse af den samme lyd). Så vi hører cacophony. Og hvis nøglen drejes langsomt, vil vi opfatte dens ringing "som forventet", med en ren note med varierende lydstyrke.

Så høres en note af en nøgle, hvis lydstyrke ændres på grund af dens rotation, som to2. En sådan forklaring på ændringen i ringen er fri for alle tidligere ulemper og er helt i overensstemmelse med eksperimenterne. For eksempel opnås størrelsen af ​​note splittelsen afhængigt kun af nøglerotationens periode – hverken højden af ​​noten eller orienteringen af ​​nøgleaksen påvirker denne opdeling.

Fig. 5

Tjek dig selv.I den øverste graf i figur 5 er nøgle lyden optaget på en tråd. De enkelte vibrationer fusionerer her, kun lydstyrken er synlig – tykkelsen (lodret) af den blå bjælke. På den anden side beregnes oscillationer ud fra modellen beskrevet af os (men uden at tage hensyn til Doppler-effekten). Den gennemsnitlige rotationshastighed af nøglen målt af kameraet blev anvendt til konstruktionen. Det kan ses, at på begge plots niveauer oscillerer lydstyrken ret lige, langsommere, idet tråden snoet med en nøgle sænker dens rotation. Til sammenligning, i den nederste graf, tages kun Doppler-effekten i betragtning, og amplitudeændringer på grund af nøgleorienteringen ignoreres.

Fig. 6

En anden check er de vigtigste lydsignaler (den første til venstre i figur 6) og vores tre modeller: idet der kun tages hensyn til amplitudeoscillationerne (den anden), kun Doppler-effekten (den tredje) og begge (den fjerde).

Det kan ses, at modellen vi fandt helt beskriver fænomenet. I dette tilfælde viste det sig kun, at ændringerne i retningen af ​​nøglen og de volumenudsving, der var forårsaget af det, var vigtige, og Doppler-effekten ikke gjorde noget mærkbart bidrag. Doppler-effektens lillehed kunne forstås på forhånd, idet man vidste, at nøglebredden er mærkbart mindre end bølgelængden.Hvordan er en (vanskelig) opgave for selvrefleksion.

Kunstner Olga Demidova


1 Sådanne udsving i volumen som følge af tilføjelsen af ​​tætte noter kaldes beats. Uddrag den samme note på guitaren på to strenge på en gang. Hvis lydene er lidt anderledes, kan vi let høre beats. Derfor hjælper de med at oprette.

2 Det viser sig, at vi har fundet en effekt, der er invers til beatsne, hvorimod der høres tætte noter som en med en oscillerende lydstyrke.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: