Вихревая трубка

Вихревая трубка

Вихревая трубка , гофрофон или резонатор «блогл» , также продававшаяся как «Фри-Ка» в 1960-1970-х годах , представляет собой экспериментальный музыкальный инструмент , который состоит из гофрированной (ребристой) пластиковой трубки или шланга (полого гибкого цилиндра ), открытого с обоих концов и возможно более широкий на одном конце ( колокольчик ), более тонкий из которых вращается по кругу для игры. Это может быть несколько футов в длину и около нескольких дюймов в ширину. Чем быстрее раскачивается игрушка, тем выше высота ноты, которую она издает, и она производит дискретные ноты, примерно принадлежащие к гармоническому ряду , подобно тому, как бесклапанный духовой инструмент генерирует различные виды вибрации. , что первую и вторую моды, соответствующие основной и второй гармоникам , трудно возбудить. Однако сообщается Для концертной игры длину трубки необходимо подрезать, чтобы настроить ее.

Согласно модифицированной органологической системе Хорнбостеля-Сакса, предложенной Родериком Найтом. он должен иметь номер «A21.31» (закрученная версия) и «A21.32» (выдувная версия), описываемый как «гофрированная или ребристая трубка, производящая обертоны за счет турбулентности». Несмотря на то, что это аэрофон, он обычно включается в раздел ударных инструментов со «звуковыми эффектами», таких как цепи, хлопушки и громовые листы .

Звук

Гофрированная трубка вращается, внешняя часть движется быстрее.

Хопкин описывает один вращающийся гофрофон, способный воспроизводить три или четыре разных звука. Кроуфорд описывает гармоники со второй по седьмую как достижимые во время вращения, хотя семь требуют «больших усилий». Хопкин описывает, что с помощью гофрогорна «с трубками подходящей длины и диаметра диапазон значительно расширяется вверх по [гармонической] серии, где доступные тона близки друг к другу, и вы можете, попрактиковавшись, играть довольно мелодично ». Фактически, поскольку каждый режим звучания воспроизводится во всем диапазоне скоростей (а не на одной конкретной скорости), гармоники сложно пропустить, так как для этого требуется скачок скорости (а не постепенное изменение), хотя это легко сделать с помощью языком и горлом, чтобы прервать поток воздуха гофророгом. Во многих коммерческих предложениях описывается, что лампы воспроизводят до пяти различных нот (предположительно, гаммы горна : близкие к гармоникам 2, 3, 4, 5 и 6 ), и хотя более высокие режимы могут быть возможны, если усердно работать, одновременно могут звучать диссонирующие соседние гармоники, например 15 и 16 . Моды гофрированной трубки обычно ниже, чем у негофрированной трубки той же длины и диаметра, и «слышимая вибрация в вихревой трубке появляется только тогда, когда скорость потока воздуха превышает определенный минимум, что может препятствовать зондированию основной или низшие гармоники». тембр нот , создаваемых вращающейся трубкой, «почти полностью фундаментальный» Согласно анализу Фурье, (похож на синусоидальные волны ). Трубки длиной более многих футов могут иметь один конец, закрученный, когда их удерживают около середины, или их можно выносить из окна автомобиля.

Уравнения, описывающие звук, производимый при вращении трубки, предложенные Ф.С. Кроуфордом в 1973 году, предполагают, что воздух, проходящий через гофры, должен производить звук, аналогичный звуку скребкового инструмента, такого как « реко-реко ». при котором палкой царапают поверхность с равномерно расположенными бороздками. Это и послужило бы обоснованием приведенных ниже формул. Однако эта предварительная модель не подтверждена экспериментально и не подтверждена теорией зондирующих труб в акустике. Напротив, современная теория производства звука в гофрированных трубах опровергает предположения Кроуфорда (1973).

${\text{frequency}}={\frac {\text{bumps}}{\text{sec}}}={\frac {\text{bumps}}{\text{inch}}}\times \left({\text{air flow velocity in }}{\frac {\text{inches}}{\text{sec}}}\right)$

${\begin{aligned}{}\\[1pt]{\text{flow velocity}}&={\frac {\text{cm}}{\text{sec}}}={\frac {\text{cm}}{\text{bump}}}\times {\frac {\text{bump}}{\text{sec}}}\\[6pt]&={\text{corrugation distance}}\times {\text{bump frequency}}\end{aligned}}$

Таким образом, чем быстрее вращается трубка или чем плотнее гофры, тем выше будет высота звука банкноты.

Разница в скорости между движущимся концом трубки и неподвижным ручным концом создает разницу в давлении воздуха . Более высокое давление находится на фиксированном конце, а более низкое давление — на подвижном конце. Эта разница протягивает воздух через трубку, и скорость воздуха меняется (вызывая изменения в тонах) в зависимости от скорости вращения. Высота, громкость и тон звука зависят от длины и диаметра трубки, расстояния между каждым выступом и скорости вращения трубки, которая перемещает воздух по трубке быстрее или медленнее, меняя тон ступенчато. ... [Поют только гофрированные трубы] Когда воздух проходит сначала по одному гребню, затем по второму, он превращается в вихрь . Чем быстрее воздух течет через трубку, тем выше частота звука, издаваемого вихрем. Когда частота вихря совпадает с одной из собственных резонансных частот трубки (гармоник), он усиливается.

Согласно принципу Бернулли , с увеличением скорости давление уменьшается; таким образом, воздух всасывается в неподвижный или внутренний конец трубки, поскольку воздух с более высоким давлением движется вверх по трубке, чтобы заполнить воздух с более низким давлением на более быстро движущемся вращающемся или внешнем конце трубки.

Характеристическая скорость представляет собой средний расход через трубу U , а характеристическая длина должна быть кратна расстоянию между гофрами nL , где n — целое число, а L — расстояние между гофрами. На низких скоростях нестабильному внутреннему потоку необходимо пройти несколько гофров, чтобы установить контур обратной связи. По мере увеличения скорости петлю можно создать с меньшим количеством гофров. Число Струхаля

$\mathrm {St} ={\frac {f_{n}nL}{U}}$

использовался в качестве масштабного коэффициента. Уникальность этого свистка заключается в том, что внутренний поток переносит как нестабильный вихрь вниз по течению, так и возвращающийся сигнал обратной связи вверх по течению.

Использовать

Ансамбль вертушек создает поразительные музыкальные узоры с яркими чистыми звуками, иногда завораживающе красивые, иногда драматичные, иногда мягкие, иногда сильные и надежные, но всегда вдохновляющие и заставляющие задуматься.

- Новости Северной территории , декабрь 1984 г.

Вращающийся инструмент из гофрированной пластиковой трубки стал мгновенным, хотя и недолгим, культурным феноменом в Нью-Йорке конца 1960-х годов под названием «Free-Ka», продаваемым уличными торговцами, как было заснято The New Yorker в 1970 году. Его использовал Питер Брукс в начале 1970-х годов в постановке шекспировского « Сна в летнюю ночь» . Его использовали ряд художников, включая Питера Шикеле , Фрэнка Тичели , Пола Саймона , Мэйси Грей , Лох-Ломонда , и Комитет Ежегодника . Также в » Бретта Дина ( «Моментах блаженства 2004). и The Cadets Drum and Bugle Corps в 2011 году. «137 Ridges» Дональда Сосина (1971) для флейты, вибрафона и 15 настроенных Free-kas были исполнены в Мичиганском университете. Он использовался в некоторых композициях Питера Шикеле комических PDQ Баха, таких как «Эротические вариации: IV» (1979), Мисса Веселая (1975), и «Пастух на скалах с изюминкой» (1967). Шикеле, который называет его « лассо д'амур» (каламбур на гобой д'амур ), дает ироническое объяснение эволюции инструмента: венские ковбои 18-го века «вертели свои лариаты над головами с такой огромной скоростью, что была произведена музыкальная подача... Модификации, которые сделали эту разработку возможной, сделали [лассо] бесполезным для связывания скота».

Дэвид Коуп в 1972 году обсуждал кугафон , который в 1997 году он описывает как инструмент, состоящий из мундштука трубы, 3/8 дюйма трубки диаметром прикрепленного к длинному куску пластиковой с кухонной воронкой , обычно находящейся в руке. другой конец действует как колокол ; таким образом, звук можно модулировать, направляя воронку, оказывая на нее давление или поворачивая воронку вокруг головы и создавая эффект Доплера . Для этой версии инструмента потребуется техника латунного амбушюра , а не гофрирования. К 1997 году уже существовали ансамбли кугафонов.

Изобретатель неизвестен, хотя Барт Хопкин приписывает покойному Фрэнку Кроуфорду из физического факультета Калифорнийского университета в Беркли «разработку этой идеи и исследование лежащей в ее основе акустики». а в 1973 году Кроуфорд благодарит другого профессора за то, что тот указал ему на игрушку, которая «около года или двух назад... появилась в магазинах игрушек по всей стране», и дает бренд или торговое название «Whirl-A-Sound». «Фрика» и «Хаммер»; последний произведен компанией WJ Seidler Co. из Лос-Анджелеса, Калифорния. Кроуфорд изобрел метод игры на достаточно маленьком образце такого гофрированного шланга путем продувания, известный как гофрогорн . Для этого требуется трубка диаметром меньше, чем обычно продается в качестве игрушек (диаметр в один дюйм слишком велик, полдюйма - нет), Хопкин рекомендует шланг газового обогревателя диаметром 3/8 дюйма как наиболее удобный из широко доступных размеров. перевернутой корзины для мусора Кроуфорд изобрел версию, приводящую в действие «водяной поршень », которую он назвал «Водяная труба», с помощью которой он мог легко достичь одиннадцатой гармоники .

См. также

• Bullroarer : традиционный инструмент связи на большие расстояния, издающий низкий рев при вращении по кругу.
• Boomwhacker : легкая, полая пластиковая трубка, настроенная на музыкальную высоту по длине.
• Ламинарно-турбулентный переход
• Расход трубы
• взлом

Дальнейшее чтение

• Накибоглу Г., Руденко О., Хиршберг А. «Аэроакустика качающейся гофрированной трубки: голос Дракона» J Acoust Soc Am. 31, 749–765, 2012.
• Раджавел Б., Прасад М.Г. «Параметрические исследования акустики гофрированных труб с использованием моделирования больших вихрей (LES)», Noise Control Engineering Journal , 62 (4), 2014.
• Лиза Р., Тейлор, Мэн, «Экспериментальное исследование акустических характеристик гофрированных трубок», Лаборатория контроля шума и вибрации , Технологический институт Стивенса, диссертация, 1994 г.
• (1974). « Corrugahorns Scientific American, Том 230 ». Манн и Ко.

Внешние ссылки

• Фортепиано и лассо д'амур на YouTube , " Go Tell It on the Mountain "
• Описание прибора « Корругафон », Физический факультет Мэдисонского университета Висконсина.
• « Вихрь », Exo.net .
• « Частотная трубка », Faraday.Physics.UIowa.edu . Включает библиографию.