Warum erhöht sich die Tonhöhe, wenn Sie stärker in eine Pfeife blasen?

Ich glaube nicht, dass die anderen Antworten richtig sind. FGSUZ beschreibt, wie man Luft aus einer Röhre drückt, was eine kleine Rolle spielt, aber nicht die ganze Geschichte.

Die Art und Weise, wie Holzblasinstrumente Klang erzeugen, ist, dass sie eine Luftsäule innerhalb des Instruments zum Schwingen bringen. Dies geschieht durch Aufteilen des Luftstroms . Instrumente wie das Saxophon oder die Klarinette verwenden dazu ein Rohrblatt. Eine Konzertflöte oder eine Weinflasche bläst Luft über eine scharfe Kante, und eine Blockflöte oder eine Pfeife verwendet etwas, das als Fipple bezeichnet wird.

In jedem Fall verursacht diese Aufspaltung der Luft eine Druckdifferenz im Strom. Eine Seite des Spalts geht in die freie Luft, die andere Seite geht in den Körper des Instruments. Darüber hinaus geht praktisch die gesamte Luft, die Sie blasen, in die freie Luft, nur sehr wenig gelangt in den Körper*. Wir wissen aus dem Bernoulli-Prinzip, dass die bewegte Luft einen etwas niedrigeren Druck hat. Beim Versuch, sich auszugleichen, beginnt sich die Luftsäule im Körper zu bewegen, um die Niederdruckzone zu füllen. Da die Luft etwas Masse und Impuls hat, schießt sie über, und eine neu geschaffene Hochdruckzone drückt die Luftsäule in die andere Richtung zurück, und der Vorgang wiederholt sich.

Das Drücken von Tasten oder das (Un-)Abdecken verschiedener Löcher ändert die effektive Länge dieser Luftsäule, was Sie sich als Änderung ihrer Masse vorstellen können**, was dazu führt, dass unterschiedliche Tonhöhen erklingen.

Wenn Sie also mit einer höheren Fluggeschwindigkeit blasen, erzeugen Sie eine etwas intensivere Druckdifferenz und damit etwas mehr relative Energie, um die Luftsäule in Schwingung zu versetzen. Wenn Sie etwas langsamer blasen, sinkt die Tonhöhe ein wenig. Wechseln Sie sanft zwischen diesen und Sie können ein schönes Vibrato haben.

Was hier wirklich wichtig ist, ist, dass nicht das Luftvolumen wichtig ist, sondern die Luftgeschwindigkeit .

Dieses Phänomen ist auch der Grund, warum viele Blasinstrumente dazu neigen, bei hohen Tönen scharf und bei tiefen Tönen flach zu klingen, und der Spieler muss dies korrigieren, indem er seine Fluggeschwindigkeit variiert, da die Tasten oder Löcher am Instrument allein nicht ausreichen, um die richtige Tonhöhe zu erhalten .

Im Fall einer Konzertflöte, die eine scharfe Kante anstelle einer Fipple oder eines Rohrblatts verwendet, kann der Spieler seine Luft zielen und dieses Druckverhältnis direkt steuern , indem er das Verhältnis variiert, wie viel in das Ansatzloch geht und wie viel geht darüber hinweg. Infolgedessen kann ein erfahrener Flötist Noten oft mehr als einen ganzen Schritt nach oben oder unten biegen, allein basierend auf der Steuerung des Luftstroms, ohne etwas an der Flöte selbst oder ohne Änderung der Luftstromgeschwindigkeit zu ändern.

Schließlich, wenn Sie genug Kraft in Ihrem Luftstrom erzeugen, können Sie überblasen und 1 oder mehr Oktaven über der gefingerten Note spielen. Beim Spiel in den oberen Lagen werden die Tendenzen, dass die Instrumente mit zunehmender Höhe immer schärfer klingen, dramatischer.

Bearbeiten: Ich möchte erwähnen, konnte aber nicht herausfinden, wo ich es in die obige Antwort einarbeiten sollte, aber die Luftgeschwindigkeitist wirklich wichtig. Gerade auf der Konzertflöte kommt es in dem Ausmaß zu massiver Frustration bei Neulingen. Ein Luftstrom in der Größe einer Angelschnur über dem Mundstück mit der richtigen Geschwindigkeit spricht lauter und klarer als 100-mal mehr Luft, wenn er unkontrolliert und langsamer ist. Neuen Flötenspielern wird oft beigebracht, an "heiße" vs. "kalte" Luft zu denken, wenn sie lernen, ihren Luftstrom zu kontrollieren. Und schließlich kann ein Spieler, wenn er genügend Geschick erlangt hat, leise Töne spielen, indem er vorsichtig sehr kleine Luftmengen mit sehr hoher Geschwindigkeit bläst, und selbst die höchsten Töne leise erklingen lassen. Wenn es bei der Physik des Instruments darum ginge, Luft aus dem Instrumentenkörper herauszupressen, wäre dies unmöglich. Das ist es nicht, weil dieses winzige bisschen Luft bei der richtigen Geschwindigkeit immer noch ausreicht, um diesen Druckunterschied zu erzeugen,

* Gilt nicht für Stimmzungeninstrumente; Das luftspaltende Verhalten wird durch das Schilf selbst verursacht, aber der Rest der Konzepte ist immer noch wahr.

** Massive Vereinfachung, die an völliges Unrecht grenzt, aber ehrlich gesagt spielt es keine Rolle.

Dies ist ein sehr interessantes Phänomen.

Grob gesagt wirkt sich der Druck auf die "effektive Länge" des Schlauchs aus.

Lassen Sie mich erklären, Röhren sind nicht so einfach wie Saiten. Eine Saite hat eine feste Länge, und dann bestimmt die Schallgeschwindigkeit eindeutig ihre Frequenz.

Offene Röhren verhalten sich dagegen anders. Da wir von Longitudinalwellen sprechen, sprechen wir von "Druckwellen", es ist eine Reihe von Kompressionen und Expansionen der Luftmoleküle im Rohr.

Aber es gibt ein Problem: Diese stationären Wellen werden nicht in derselben Welle angeregt, wenn Sie ein Seil bewegen. Sie regen die Schallwellen an, indem Sie Luft einblasen. Das heißt, Masse mit einer Geschwindigkeit blasen, also tragen Sie einen Impuls, Luft erzeugt eine Kraft, und diese Kraft drückt Moleküle weg.

Wenn Sie Luft in die Pfeife blasen, zwingt die Massenerhaltung diese Luft dazu, woanders herauszukommen. Die Luft, die Sie hineinblasen, kommt am anderen Ende heraus. Aber diese austretende Luft drängt die umgebenden Luftmoleküle zurück. Mit anderen Worten, wenn Sie Luft blasen, verdrängen Sie die Umgebungsluft.

Mit anderen Worten, die Luft, die Sie blasen, trifft auf keinen großen Widerstand gegen die vorherige Luft, die bereits vorhanden war. Sie drängen also umgebende Luftmoleküle zurück.

Diese Moleküle gehen nur eine bestimmte Entfernung zurück. Irgendwann prallen Moleküle wieder auf die Pfeife zurück. Sie können Moleküle wegblasen, bis der Luftdruck derselbe ist wie der, den Sie durch die Pfeife zwingen.

Natürlich hängt dieser Abstand davon ab, wie stark Sie blasen, aber er liegt in der Größenordnung von 1 cm.

Und was hat das alles damit zu tun? Nun, was hier passiert, ist, dass die Welle nicht zurückprallen „muss“, bis sie diese „Druckbarriere“ erreicht. Anstatt also direkt am Rohrende zurückzuprallen, springt es etwas später zurück.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Tatsache, dass es sich um ein offenes Ende handelt, der Luft erlaubt, ein wenig nach dem Ende des Rohrs zurückzuprallen. Sie haben also den gleichen Effekt, als hätten Sie eine "längere ideale Röhre", und eine längere Röhre impliziert eine andere$\lambda$, und verschiedene Obertöne.

Wenn Sie ein Objekt (oder eine Luftmasse) in Resonanz bringen, durchläuft es normalerweise eine volle Vibration in einer Länge Ihres Objekts. Dies liegt daran, dass es (zum Beispiel bei einem Rohr mit geschlossenem Ende) gerne am Ende seiner Welle ist, wenn es das Ende des Rohrs erreicht (Randbedingungen). Aber wenn Sie genug Energie hineinstecken, wird es 2 Schwingungen durchlaufen (und trotzdem die Randbedingungen erfüllen). Ihre höhere Tonlage ist normalerweise doppelt so hoch wie Ihre tiefere Tonlage. Versuch es!

Der grundlegendste Grund ist, dass die Natur von Natur aus nichtlinear ist, obwohl lineare Annäherungen normalerweise gut genug sind. Der Fragesteller ist verwirrt, weil er/sie ein Verständnis zum Ausdruck bringt, das auf linearen Annäherungen an die Funktionsweise von Musikinstrumenten basiert. Bei erhöhtem Druck brechen diese linearen Näherungen zusammen, was zu den beobachteten Effekten führt.

Eine detailliertere Erklärung würde je nach Instrument oder Art der "Pfeife" variieren, die der Fragesteller im Sinn hat, aber in dem Versuch, immer noch allgemein zu sein, beinhalten die "Edge" -Instrumente wie Blockflöte und Flöte die Strömung eines Luftstrahls, der sich schneidet eine Kante, die wiederum den Strahl entweder in den Körper des Instruments oder weg leitet. Diese Richtungsänderung identifiziert eine Luftmasse, die mit der Federkraft der Luftsäule im Inneren des Instruments vibriert. Bei niedrigen Luftstrahlgeschwindigkeiten ist dieser Luftstrahl weitgehend laminar, was den linearen Beziehungen eines Newtonschen Fluids gehorcht, wobei die Spannung proportional zum Geschwindigkeitsgradienten ist. Bei höheren Geschwindigkeiten treten Turbulenzen auf, und die Newtonsche Beziehung wird zunehmend ungenauer. Wenn der Musikton an Frequenz zunimmt, s, weil die Turbulenzen einen Teil der effektiven Luftmasse aufbrechen, die um die Kante herum vibriert. Dort schwingt also weniger effektive Masse. Bei jedem Feder/Masse-Vibrationssystem führt eine geringere Masse zu einer höheren Vibrationsfrequenz. Es gibt andere Auswirkungen von Turbulenz, wie z. B. eine erhöhte Dissipation, die eigentlich zu einer niedrigeren Frequenz führen würde, wenn die abgesenkte Masse nicht das dominierende Merkmal ist.
Es gibt viele andere Auswirkungen von Nichtlinearitäten bei Musikinstrumenten, und diese gehen weit über den Rahmen der Frage hinaus, aber im Allgemeinen weist jedes Instrument einige Nichtlinearitäten innerhalb eines bestimmten Bereichs seiner Spielbarkeit auf.

Ein wesentlicher Teil dessen, was eine Pfeife, Flöte, ein Rauchrohr oder ein anderes derartiges Instrument zum Funktionieren bringt, ist die bidirektionale Beziehung zwischen dem Luftdruck in der Pfeife in der Nähe des Mundes und dem Anteil des Windes, der hineinströmt. Beim Blasen eines offenen Rohrs wird eine Hochdruckwelle, die sich das Rohr hinunter ausbreitet, als Niederdruckwelle zurückgeworfen. Wenn diese Niederdruckwelle am Mund ankommt, erhöht sie den Anteil des aufgebrachten Windes, der in den Mund eintritt, und erzeugt eine weitere Hochdruckwelle.

Die zeitliche Beziehung zwischen dem Eintreffen eines Niederdruckimpulses und dem Senden einer Hochdruckwelle durch das Rohr ist ziemlich kompliziert und wird stark von der Form der Rohrmündung, dem Winkel des Luftstroms und vielem mehr beeinflusst andere Faktoren. Die Geschwindigkeit des stimulierenden Luftstroms ist einer dieser Faktoren, obwohl seine Auswirkungen mit den anderen Faktoren auf eine Weise interagieren, die schwer vollständig zu modellieren ist.