Gehen wir zum Konzert und „sehen“ uns den Sound an! Moment, Klang hat eine Form?

Welche Form hat der Klang?

Stellen Sie sich vor, Sie sind auf einem Konzert. Die Lichter um Sie herum werden allmählich gedimmt und der Scheinwerfer leuchtet auf den Geiger in der Mitte der Bühne. Das Publikum schweigt. Sie zieht den Bogen über die Saiten und wunderschöne Töne fließen aus der Mitte, erfüllen langsam den ganzen Saal und auch Ihr Herz.

Wenn Sie die Schönheit des melodischen Klangs einer Geige bewundern, fragen Sie sich dann: Warum dauert es mehrere Monate, eine scheinbar gewöhnliche Geige zu modifizieren und Fehler zu beheben? Was ist das Geheimnisvolle an diesem Prozess?

Keine Sorge, wenn Sie unseren heutigen Protagonisten, die Chladni-Figur, kennenlernen, werden Sie auf diese Frage ganz selbstverständlich eine Antwort haben!

01 Nicola Grafiken

Im 18. Jahrhundert führte der deutsche Physiker Ernst Chladni ein Experiment durch, bei dem er ein breites Metallblech auslegte und gleichmäßig Sand darauf streute. Anschließend wird der Sand mit einer Bogensehne gezogen und der feine Sand ordnet sich automatisch in verschiedene schöne Muster an. Während der Rhythmus der Bogensehne zunimmt, verändern sich die Muster weiter und werden komplexer – die berühmten Chladni-Figuren.

Ernst Chladni

Es ist geheimnisvoll und man kann sich nie vorstellen, wie es aussehen wird; Es ist äußerst schön und erscheint auf der Tafel immer auf eine Weise, die jenseits der Vorstellungskraft der Menschen liegt.

Es könnte so aussehen:

Ja, das sind echte Chladni-Muster! Wenn Sie dies sehen und gleichzeitig das Geheimnis und die Schönheit der Chladni-Muster bewundern, werden Sie sich sicher auch fragen: Was genau veranlasst diesen Sand, automatisch „Truppen und Formationen aufzustellen“ und wunderschöne Muster zu bilden?

02Stehende Welle

Dann müssen wir ihren „Kommandanten“ erwähnen – die magische „stehende Welle“!

„Stehende Welle? Bekommst du nicht einfach eine Welle nach der anderen?“

Keine Sorge, schauen wir uns die Erklärung in der Baidu-Enzyklopädie an:

Unter einer stehenden Welle versteht man einen Verteilungszustand, der entlang der Übertragungsleitung durch zwei Wellen (nicht notwendigerweise Radiowellen) mit gleicher Frequenz und entgegengesetzter Übertragungsrichtung entsteht. Normalerweise ist eine der Wellen eine Reflexion der anderen.

An der Stelle, an der die beiden Spannungen (oder Ströme) addiert werden, entsteht ein Schwingungsbauch, und an der Stelle, an der die beiden Spannungen (oder Ströme) subtrahiert werden, bildet sich ein Knoten. Auf der Wellenform bleiben die Positionen der Knoten und Bäuche unverändert und vermitteln den Eindruck eines „Stillstands“, ihre Momentanwerte ändern sich jedoch mit der Zeit. Wenn die Amplituden der beiden Wellen gleich sind, ist die Amplitude des Knotens Null.

Ist Ihnen ein wenig schwindelig? Schauen wir uns ein intuitiveres Bild an:

Rechte Welle

Nach links winken

Zweiwellensynthese

Stehende Welle

Es ist ersichtlich, dass das zusammengesetzte Ergebnis nach der Kreuzung der beiden Wellen darin besteht, dass sich der „Wellenknoten“ nicht bewegt!

Wir wissen, dass Schallwellen Schwingungswellen sind, deren Ausbreitung auf Objekte angewiesen ist. Befindet sich eine Platte mit Sand darauf, vibriert die Platte in Form einer stehenden Welle. Es wird viele „Knoten“ darauf geben, die nicht vibrieren. Der Sand, der sich nicht an der Knotenposition befindet, „springt“ weiter, bis er zur Knotenposition „springt“ und hört dann auf, sich zu verändern. Wenn die stehenden Wellen eine buntere Form hätten, dann hätte auch der Sand, der sich nach dem „Zusammenspringen“ angesammelt hat, eine bunte Form! Und diese wunderschöne Figur ist die „Chladni-Figur“.

Schauen Sie sich als Nächstes unser Chladni Pattern Demonstrator-Setup an!

Wie der Name schon sagt, ist ein Vibrationsgenerator ein Instrument, das kontinuierlich Vibrationen erzeugt. Es lässt den Stab auf und ab vibrieren, wodurch die Vibrationsplatte von der Mitte aus „Schallwellen“, also Vibrationswellen, aussendet. Die Schallwellen breiten sich zunächst von der Mitte entlang der Platte nach außen aus.

Wenn die Schallwelle die Kante der Platte erreicht, wird sie mit der gleichen Frequenz zurückreflektiert und bildet eine reflektierte Welle (wenn die Schallwelle die Kante des ursprünglichen Materials erreicht und sich in ihrer ursprünglichen Richtung ausbreiten möchte, muss sie von einem Material in ein anderes eindringen. Dabei wird ein Teil der Schallwelle reflektiert. Das entspricht der Schallwelle, die von der Mitte aus zuerst in die Luft der Platte eindringt und dann von der Kante der Platte zurückreflektiert wird). Wie in der vorherigen Einführung zu stehenden Wellen erwähnt: Stehende Wellen bestehen aus zwei überlagerten Wellen mit derselben Frequenz und entgegengesetzter Übertragungsrichtung (eine der Wellen ist im Allgemeinen die reflektierte Welle der anderen Welle). Solange wir also die Schwingungsfrequenz des Schwingungsgenerators unverändert lassen, können wir stehende Wellen auf dem Brett erzeugen und dann Sand darauf streuen. Diese springen automatisch in wunderschöne Chladni-Figuren! Dies ist das Prinzip unseres „Chladni-Figurendemonstrators“.

03Frage Antwort

Okay, da wir nun etwas über die Chladnischen Figuren wissen, kehren wir zur ursprünglichen Frage zurück. „Warum dauert es mehrere Monate, eine scheinbar gewöhnliche Geige zu stimmen?“

Hierfür gibt es einen Grund, der eng mit unserem Experiment zusammenhängt: Der Korpus der Geige ist ein wichtiger Teil des Klangs, und Unterschiede in Dicke und Form des Korpus wirken sich stark auf die Vibration aus und beeinflussen somit die Klangqualität der gesamten Geige. Genau wie bei der Vibrationsplatte in unserem Gerät wird das gebildete Chladni-Muster sehr unterschiedlich sein, wenn sich ihre Form oder Dicke ändert, selbst wenn die Vibrationsfrequenz dieselbe ist.

Um den schönen Klang der Geige durch die Schnitzerei des Korpus anzupassen, haben Geigenbauer einfach das magische Chladni-Muster übernommen: Sie verwendeten die Außenschale der Geige als „Vibrationsplatte“, streuten Sand darauf, gaben eine feste Frequenz ein, um die Außenschale zum Schwingen zu bringen, und konnten durch Beobachtung des entstandenen Chladni-Musters in Echtzeit beurteilen, ob die Dicke und Form der Außenschale den Anforderungen einer „exzellenten Geige“ entsprachen. Durch wiederholtes Überwachen und Schleifen des Resonanzbodens auf diese Weise wird dieser schließlich vibrieren und den Ton präziser wiedergeben.

Apropos Abstraktion, hier sind einige Produktionszeichnungen:

Die Eingangs-Backplane-Vibrationsfrequenzen sind:

91Hz, 138Hz, 231Hz,

196 Hz, 306 Hz, 312 Hz, 392 Hz.

Wissen Sie jetzt, warum das Schärfen einer Geige zehn Jahre dauert?

Tatsächlich sind Chladni-Muster nur eine von Tausenden Möglichkeiten, wie wir Klänge wahrnehmen, wertschätzen und nutzen. Es gibt viele wunderbare Phänomene und Geräte, die es uns ermöglichen, „Klänge zu sehen“. Lassen Sie uns diese gemeinsam erkunden!

Mitwirkende: Southwest University Popular Science Space Station, Chongqing Physics Society, Beibei District Science and Technology Association

Prüfungsexperte: Zhang Qiaoming

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