Física del silbido

Question

Estoy buscando una explicación sencilla de cómo funciona un silbato. Sé que que forzar el aire sobre un labio agudo puede establecer una onda en una cavidad resonante, pero cómo ? "La mayoría de los silbatos funcionan debido a un mecanismo de retroalimentación entre la inestabilidad del flujo y la acústica" sí, pero ¿qué hace ¿Cómo es ese mecanismo de retroalimentación?

Me ha sorprendido no poder encontrar en Internet un diagrama básico que demuestre el funcionamiento de un silbato. Sí he encontrado muchas imágenes como ésta:

. . pero esas imágenes no son útiles porque no muestran exactamente lo que produce la oscilación.

Answer 1

Estas cosas suelen funcionar por retroalimentación que provoca cambios de presión, que a su vez hace que el flujo original se redirija, lo que a su vez tiene el efecto contrario en la presión, etc.

Esto es más sencillo de pensar cuando se considera un silbato de bola común, como el que suelen tener los entrenadores de atletismo y los árbitros. La parte en la que se sopla tiene una ranura delgada, que hace que una lámina de aire laminar sople a través de una abertura, pero que luego continúa en la parte redonda. Sin embargo, no hay ninguna otra abertura en la parte redonda, por lo que eventualmente la presión se acumula y esta presión "rompe" la lámina laminar que en cierto modo "tapaba" la abertura. Esto permite que la presión se libere a través de la abertura, lo que también redirige el aire de la boquilla para que no entre en la pieza redonda. La presión en el silbato cae entonces, la lámina laminar puede volver a formarse o reanudar su flujo original no redirigido, lo que hace que la presión vuelva a aumentar, etc.

La bola dentro del silbato no es necesaria para hacer el sonido. Rompe periódicamente el proceso anterior, modulando efectivamente la frecuencia del silbato a una frecuencia mucho más baja. No estoy seguro de por qué se hace esto exactamente, pero creo que el sonido con la bola es más interesante o llama la atención o es más fácil de localizar para los humanos.

Answer 2

Consideremos el tipo de silbato específico que se muestra en la pregunta.

Al soplar el silbato, el aire se ve obligado a salir por la estrecha abertura. El flujo de aire en el centro de la corriente es significativamente más rápido que el aire vecino cercano a la corriente principal. Si la corriente de aire se desvía fácilmente (es inestable), se generan vórtices. Si se repite lo mismo, se generarán muchos más vórtices con propiedades similares. Estos vórtices hacen que la presión del aire varíe de forma periódica, por lo que se produce una onda sonora. La frecuencia de esta onda sonora está relacionada con el ritmo de desprendimiento de los vórtices. Como el proceso es bastante caótico, se producen muchos ritmos o frecuencias diferentes a la vez.

Como se puede ver en la imagen, el arroyo está dividido en dos partes. Una parte sale de la abertura y la otra se queda dentro. Las ondas sonoras atrapadas en el interior interferirán entre sí. Si la frecuencia del sonido no coincide con ninguna de las frecuencias de resonancia de la cámara, las ondas interferirán destructivamente y se desvanecerán rápidamente. Sin embargo, si la frecuencia coincide con la frecuencia de resonancia de la cavidad, la amplitud de la onda aumentará con el tiempo. La tasa de aumento disminuirá a medida que la amplitud aumente. Finalmente, alcanzará un estado estable. En este punto, la amplitud de la onda sonora es lo suficientemente fuerte como para que el sonido sea muy audible. La onda sonora sale del agujero, se dispersa con fuerza y finalmente llega a nuestros oídos.

Algunos silbatos tienen una pequeña bola que rebota dentro de la cavidad. La bola cambia la forma de la cavidad y al mismo tiempo las frecuencias de resonancia. De este modo, nos permite escuchar una gama más amplia de frecuencias sonoras.

Answer 3

Ha habido una interminable confusión sobre cómo funciona realmente este tipo de silbato. Si se investiga el patrón de flujo, se ve el tipo de patrones de vórtices en su imagen, pero eso no significa necesariamente que los vórtices causa el sonido. De hecho, es lo contrario: ¡el sonido provoca los vórtices!

La explicación básica (que también se aplica a los tubos de órgano y a instrumentos musicales como el silbato de hojalata y la flauta dulce) depende del principio de Bernouilli. Es más sencillo pensar en hacer un sonido soplando sobre el extremo abierto de una botella, porque la parte del "tubo" del silbato es en realidad lo mismo que la botella doblada 90 grados. Lo importante no es que se sople "dentro del tubo", sino que se sople "a través del agujero del extremo del tubo".

Cuando se sopla a través de una botella, la presión de la corriente de aire en movimiento disminuye, y parte del aire es "aspirado" de la botella hacia la corriente de aire de baja presión.

Sin embargo, el aire adicional que se fusiona con la corriente de aire la desvía de la boca de la botella, lo que reduce la cantidad de "succión".

El aire dentro de la botella tiene una frecuencia natural de vibración, que depende del tamaño y la forma de la botella. Esta vibración es excitada por el cambio brusco de presión en la boca de la botella, y después de medio ciclo de vibración actúa para aspirar algo de aire de vuelta en la botella. Eso tira de la corriente de aire que está soplando a través de la botella hacia la boca de la botella, y el ciclo se repite.

El parámetro crítico aquí es el tiempo que tarda el chorro de aire soplado en recorrer la boca de la botella comparado con el tiempo de un ciclo de vibración del aire dentro de la botella. Si los dos intervalos de tiempo guardan una relación correcta, las oscilaciones pueden aumentar su amplitud. Esto explica por qué si se sopla suavemente (baja velocidad), no se produce ningún sonido, y si se sopla gradualmente con más fuerza, de repente comienza el sonido. Dependiendo de la geometría de todo el sistema, si se sopla muy fuerte el sonido puede "saltar" a otra frecuencia más alta. De hecho, es posible ajustar un tubo de órgano para que produzca sucesivamente un sonido con 3 o 4 tonos diferentes, dependiendo de la presión del viento (y, por tanto, de la velocidad del aire) que se utilice para soplar.

Los vórtices son simplemente subproductos de la corriente de aire oscilante que golpea el borde de la boca de la botella.

Las explicaciones "erróneas" parten de la observación correcta de que el simple hecho de soplar un chorro de aire a través de una boquilla puede producir un patrón de vórtices, que puede repetirse a una frecuencia definida. Pero para la geometría y la presión de soplado de un silbato típico, la frecuencia de ese patrón de vórtices (si es que existe) es muy diferente de la frecuencia del sonido producido por el silbato, y es difícil inventar una buena razón por la que los vórtices deberían causa el sonido.

Answer 4

El aire en una cámara resuena como un resorte: Tiene masa y se recupera cuando se comprime o descomprime. Cuando se sopla aire a través de la abertura, y ligeramente hacia abajo, empujará el aire del interior hacia abajo y causará una perturbación que hará que el aire del interior empiece a resonar. Al resonar hacia abajo, desvía la corriente de aire hacia la abertura, empujando el aire más hacia abajo. Cuando el aire del interior vuelve a resonar, desvía la corriente de aire hacia arriba, por lo que ya no empuja hacia abajo. También arrastra el aire desde el interior por el efecto Bernoulli, ayudando a tirar del aire interior hacia arriba. Cualquier vórtice que se forme es incidental.