Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

jkien

Een stemvork is vaak gemonteerd op een houten klankkast die het geluid versterkt. De versterking gebeurt met behoud van energie doordat de uitdemptijd van de stemvork omgekeerd evenredig is met de versterking.

Als je de stemvork losmaakt van de klankkast en hem in de lucht voor de opening van de klankkast houdt dan versterkt de klankkast het geluid weer, terwijl mijn gevoel zegt dat de stemvork niet zoveel luchtwrijving voelt dat zijn uitdemptijd verandert.

Deze video toont de geluidsversterking bij een fles als klankkast. Waar komt de extra geluidsenergie vandaan?

317070

jkien schreef: Deze video toont de geluidsversterking bij een fles als klankkast. Waar komt de extra geluidsenergie vandaan?

Mij lijkt het een combinatie van 2 dingen:

de stemvork dempt wel degelijk sneller
er is constructieve interferentie tussen het geluid van de vork en het geluid uit de klankkast, dus er is automatisch ook ergens destructieve interferentie. (bijvoorbeeld aan de kant achter het glas) De lokale toename aan geluidsvermogen wordt dan ergens gecompenseerd door de lokale afname aan vermogen.

Benm

Zou het niet gewoon liggen in een efficientere overdracht van trillingsenergie in het metaal naar trillingsenergie in de lucht?

Een stemvork verliest normaliter uiteraard wel energie aan het uitstralen van geluid, maar ook in het metaal van het ding zelf, wat feitelijk niet meer dan warmte oplevert.

Anton_v_U

jkien schreef: Waar komt de extra geluidsenergie vandaan?

Bij resonantie wordt er energie van de trilling van de vork overgedragen naar de kolom lucht onder het water. Omdat het een eigenfrequentie is, zal deze energie slechts langzaam worden gedempt (geabsorbeerd, omgezet in warmte en geluid).

Zolang er meer energie wordt toegevoegd dan er verdwijnt, neemt de amplitude van de resonantie toe. De trillende luchtkolom is dus een energiebuffer die een beetje lekt (warmte en geluid) maar waaraan ook energie wordt toegevoegd (trilling van de vork). Er ontstaat een evenwicht waarin de resonerende luchtkolom evenveel energie per tijdseenheid krijgt toegevoerd als afgeeft.

Een trillende stemvork heeft natuurlijk niet ineens meer energie als hij boven een resonerende luchtkolom wordt gehouden. Door de resonantie wordt de energie anders omgezet: er wordt relatief veel meer energie omgezet in geluid. Zonder resonantie wordt de trillingsenergie sneller omgezet in warmte en dat hoor of zie je niet.

Samengevat: De energie in de geluidsgolf wordt onttrokken aan de "energiebuffer" van het resonerende systeem, die buffer wordt continu aangevuld met trillingsenergie van de stemvork. Door de heftige trilling van de luchtkolom ontstaat er veel meer geluid dan zonder resonantie. Zonder resonantie ontstaat meer warmte.

Het lijkt alsof het resonerende systeem sneller energie kwijtraakt aan de omgeving door de herrie die het produceert. Maar je zintuigen houden je voor de gek: het raakt juist langzamer energie kwijt.

Olof Bosma

De fles vormt een verkorte ¼ golf resonator, d.w.z. een volume met lucht gekoppeld aan een poort waar lucht een massa vormt (de hals); e.a. is vergelijkbaar met een basreflex luidsprekerkast.
Het rechter flesje is in resonantie gebracht op de eerste stemvork en het linker op de tweede stemvork (een octaaf lager).
De versterking komt doordat voor de resonantiefrequentie de impedantie van de lucht aanzienlijk afwijkt voor de poort van de resonator. Hierdoor wordt aanmerkelijk meer energie uit de vork onttrokken en door de resonator verspreid.

jkien

Anton_v_U schreef: ... Samengevat: De energie in de geluidsgolf wordt onttrokken aan de "energiebuffer" van het resonerende systeem, die buffer wordt continu aangevuld met trillingsenergie van de stemvork. Door de heftige trilling van de luchtkolom ontstaat er veel meer geluid dan zonder resonantie. Zonder resonantie ontstaat meer warmte.

Ergens zit er een cirkelredenering in: hij versterkt omdat hij versterkt. Maar een resonator versterkt niet automatisch. Zet bijvoorbeeld een etalon (twee halfspiegelende wanden die een optische resonator vormen) tussen een lichtbron en de waarnemer. Dat etalon versterkt het licht niet buiten het etalon, maar laat een deel door en spiegelt de rest, afhankelijk van de golflengte. Ik mis het mechanisme waardoor de stemvork beter contact heeft met de lucht.

Olof Bosma schreef: De fles vormt een verkorte ¼ golf resonator, d.w.z. een volume met lucht gekoppeld aan een poort waar lucht een massa vormt (de hals); e.a. is vergelijkbaar met een basreflex luidsprekerkast.

... De versterking komt doordat voor de resonantiefrequentie de impedantie van de lucht aanzienlijk afwijkt voor de poort van de resonator. Hierdoor wordt aanmerkelijk meer energie uit de vork onttrokken en door de resonator verspreid.

Ook hier kun je je afvragen wat er verandert voor de lucht nabij de stemvork. Wat verandert er aan het trillingspatroon van de lucht, alleen de amplitude?

Ik heb een poging gedaan om de versterking bij verschillende configuraties te meten, met een smartphone als decibelmeter, op armafstand van de stemvork (440 Hz). De hoogte van de 440 Hz piek in het spectrum gebruik ik als luidheid van de toon (in dB). De getallen zijn een indicatie, het is geen nauwkeurige meting.

0 dB losse stemvork in de lucht
60 dB stemvork bovenop de houten klankkast die bij de stemvork hoort
40 dB losse stemvork voor de opening van de klankkast
30 dB losse stemvork vlak naast een zijwand van de klankkast
30 dB losse stemvork met vlak erachter een kartonnen kaartje (speelkaart)

Grappig dat een kartonnen kaartje versterking oplevert, resonantie speelt daar geen rol.

RT60 (tijd waarin de luidheid 60 dB afneemt):
25 seconde voor de stemvork bovenop de klankkast
60 seconde voor de losse stemvork (blijkt niet uit te maken of dat voor de opening van de klankkast is of ver weg van de klankkast)

Anton_v_U

jkien schreef: Ergens zit er een cirkelredenering in: hij versterkt omdat hij versterkt. Ik mis het mechanisme waardoor de stemvork beter contact heeft met de lucht.

Het geluid wordt sterker door resonantie. De trilling in die toestand geeft per seconde veel meer geluidsenergie af aan de omgeving dan zonder resonantie. Omdat er een veel groter oppervlak meetrilt kan er meer energie aan de lucht worden overgedragen denk ik. Resonantie ontstaat doordat de beweging van de stemvork in fase is met de trilling van de lucht door de staande golven in de trillende luchtkolom (vergelijk een schommel duwen)

Uit de RT60 tijd blijkt dat het systeem stemvork bovenop de klankkast sneller energie verliest dan de losse stemvork. Misschien omdat als de klankkast rechtstreeks in trilling wordt gebracht door wrijving meer warmte ontwikkelt in het materiaal dan wanneer de lucht in trilling wordt gebracht?

jkien schreef: Grappig dat een kartonnen kaartje versterking oplevert, resonantie speelt daar geen rol.

Misschien constructieve interferentie, de golflengte is in de orde van tientallen centimeters bij deze frequentie. Maar dan is 30dB versterking te veel.

Olof Bosma

jkien schreef: Ook hier kun je je afvragen wat er verandert voor de lucht nabij de stemvork. Wat verandert er aan het trillingspatroon van de lucht, alleen de amplitude?

Even terug naar de analogie van een basreflexkast als resonator: wanneer daar een toon wordt geproduceerd door de luidspreker gelijk aan de kastresonantie, beweegt de conus nauwelijks. Zodra de frequentie iets hoger of lager wordt neemt de amplitude van de conusbeweging onmiddellijk toe (niet de geluidsdruk, die wordt voornamelijk bepaald door de luchtverplaatsing uit de poort). Dit komt doordat bij resonantie van de lucht in de kast, wanneer de conus naar achteren wordt getrokken de druk daarachter t.g.v. die resonantie sterk toeneemt en zo de beweging tegengaat. En het omgekeerde gebeurt uiteraard bij het naar buiten bewegen.
De vergelijking gaat niet een op een op, maar bij de stemvork voor de resonator gebeurt ongeveer hetzelfde: wanneer een vork in de vrije lucht trilt, zal bij het naar buiten bewegen van de poten een drukverhoging aan de buitenkant plaatsvinden zodat de vork arbeid levert. Bij het naar binnen zwaaien gebeurt het omgekeerde; een luchtdruk verlaging en weer levert de vork arbeid. Deze arbeid is echter klein t.o.v. de mechanische verliezen. Wanneer er echter een resonator van de juiste frequentie aan wordt gekoppeld (dichtbij gebracht), dan zal bij het naar buiten bewegen van de poten de luchtdruk veel meer toenemen, en veel meer dalen bij het naar binnen bewegen. Hoeveel meer hangt af van de koppeling en de Q-factor van de resonator. Hierdoor levert de vork dus ook veel meer arbeid en dus een veel hoger akoestisch vermogen af dan in de vrije lucht. De resonator zet de energie in luchtdrukvorm vervolgens om in luchtbeweging.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Re: Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Re: Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Re: Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Re: Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Re: Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Re: Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?

Re: Geluidsversterking door een klankkast en behoud van energie?