2017年1月11日 星期三

管長與頻率

前一陣子教聲音說到直笛的例子
"原則上"笛子越長(按壓的孔越多)音調就越低
學生從小就學過直笛
很容易產生連結
後來有學生私底下來問我
「老師~那為什麼直笛用力吹,音調也會變高?難道吹的力量也會改變音調的高低?」
好小子!這種問題也被追問出來了
"基本上"管樂器的長度就決定了頻率的高低
但"實際上"可能會更複雜一點
想要了解其中的原理
很多時候就非得話說從頭
沒有捷徑
這也是自然科學會讓許多人卻步的原因吧...
就是"沒.有.捷.徑."

空氣在管子裡振動到底發生了甚麼事?
如果是兩端都封口的管子會比較容易理解
當波動碰到一個障礙物就會有反射的現象
但反射波卻會和原先行進方向的入射波合成
就會使得介質(管內的空氣)內的某些位置不振動(節點)
包含在管子的兩端就會產生節點
也就形成所謂的駐波(standing wave)
頻率越高,產生的節點數量也會越多
有關駐波的現象之前有一篇_通通給我立正站好有討論過
有興趣的夥伴可以去看看




但管樂器不可能兩端封口啊~~(最常見的就是排笛或管風琴)
因此若管子其中一端是開口
那就會在開口的那一端產生最大的振幅
也就是"其中一個"波腹的位置
大概就像以下的圖形


所以管子越長,波長也就越長
在相同介質(波速相同)的情況下,頻率就會越小
因此就產生了管子越長,音調越低的結果

那為什麼吹得越用力,音調又會越高呢?
同樣的,為什麼敲鼓敲的越用力,音調卻不變?

最簡單的原因當然就是振動的介質種類不同
敲擊鼓面的介質就是鼓皮本身
鼓皮本身就有屬於自己的自然頻率
即使敲擊一下,就會產生固定頻率的振動
除非敲擊速度超過鼓皮振動的頻率
否則不管敲的多快,產生的音頻基本上都是一樣的
只是聽起來比較急而已

但管子發聲的振動體就是空氣本身
當空氣快速切過管子的外緣時
就會使內部的空氣產生振動
若外緣的空氣流動的速度越快
內部空氣振動的頻率就越快
聽到的音頻當然也會比較高
那這兩種音頻(速度快和速度慢)有甚麼關係嗎?
當然有!!
科學怎麼會放過這個有趣的現象
不小心寫太多了...
下一篇再用實驗來說明

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