Stemvork

Datum:  April 2013

Inleiding:

Dit is een experimentje dat ik gewoon eens wilde doen. Zo eentje van, gelezen in een natuurkunde boek (weliswaar in een andere vorm) maar zelf nooit gedaan.

Materiaal:

  • Stemvork (440 Hz)
  • Klankdoosje
  • Losse PC Microfoon
  • Laptop met Audacity

Uitvoering:

  • Plaats de PC microfoon tegen het klankkastje (in mijn geval is dat een elektronica montage doosje)
  • Start Audacity en druk op record (neem het signaal Mono op)
  • Sla de stemvork aan en plaats deze op het klankkastje
  • Stop de opname en sla de Audacity file op
  • Analyseer het signaal.

Resultaten:

Laad de file eventueel weer op in Audacity.
Zoom in naar een enkele golf en markeer deze. Audacity geeft nu verschillende manieren om de frequentie uit te rekenen, door gebruik te maken van de tooltjes onderaan het scherm.
2 ms --> 1/0.002 = 500 Hz

101 samples met een sample frequentie van 44100 Hz --> 437 Hz

Grafisch: 0.9394 - 0.9371 = 0.0023 s --> 435 Hz

Er is echter nog een manier nl. de methode van de frquency analyse. Markeer een deel van het signaal en selecteer onder "Analyze", "Plot Spectrum" en vervolgens "Enhanced Autocrrelation". Plaats de cursor op de top van de grafiek.

We vinden nu een frequentie van 446 Hz.

Discussie & Conclusie:

Een stemvork is een tweetandige, metalen vork die bij trilling een toon voortbrengt met nauwkeurig bekende stemtoonhoogte. Een stemvork wordt zo geconstrueerd dat de voortgebrachte toon nauwelijks afhangt van de temperatuur en de luchtvochtigheidsgraad. Een goede stemvork produceert nauwelijks boventonen, en het geluid benadert een reine sinustrilling. Stemvorken hebben meestal een  standaard frequentie van 440 of 880 Hz.
Volgens het opschrift zou dit een stemvork zijn met een frequentie van 440 Hz, en de resultaten die we gevonden hebben liggen daar aardig dicht bij in de buurt. Het meest afwijkende resultaat van 500 Hz wordt veroorzaakt doordat de tijdsmeting in ms binnen Audacity teveel afgerond wordt. De verfijningen die men grafisch wel kan waarnemen worden niet gerapporteerd.

Kijken we naar de frequentieanalyse dan lijkt het wel alsof de top een beetje afgeplat is hetgeen suggereert dat het signaal niet zuiver 440 Hz is maar dat daar een bepaalde spreiding in zit.

Opmerkingen:

  • Eens stemvork is te koop in een muziekinstrumenten winkel.
  • Klankdoosjes zijn normaliter open aan een kant. Zulk een klankkastje had ik niet tot mijn beschikking.
  • Het opslaan van de file is wel zo handig als je later nog eens naar het signaal wilt kijken.
  • De spectrum analyse kan men ook gebruiken om naar de boventonen te kijken, hetgeen ik wel gedaan (Veelvouden van 440 Hz? Grofweg, ja), maar niet uitgewerkt heb in de beschrijving van dit experiment.
  • Waarschijnlijk had ik ook nog iets met de demping van het signaal kunnen doen.
  • In onderstaand plaatje kan men zien hoe men zulk een experiment vroeger uitvoerde.

Literatuur:

  • Robert F. Mudde; "Surrounded by Physics"; VSSD; 2008; ISBN-13: 9789065621696; p. 52-77.
  • "Leerboek der Natuurkunde"; Scheltema & Holkema; 4de druk; 1954; p. 171-174.
  • James Cunningham, Norman Herr; "Hands-on Physics Activities with real-life applications"; Josey-Bass; 1994; ISBN 087628845x; p. 353-432.
  • Dr. J. Schweers en Drs. P. van Vianen; "Natuurkunde op corpusculaire grondslag - deel III voor de bovenbouw van het VHMO"; 12de druk; Malmberg; 1964; p. 178-261.
  • R.J. Flink; "Natuurkunde voor het hoger laboratoriumonderwijs 1 - Geometrische en fysische optica"; Nijgh & van Ditmar; 1985; ISBN 9023602943; p. 1-20.
  • Jo Hermans; "Hoor je beter in het donker?"; Veen; 2006; ISBN 9789085710615; p.104
  • J.W. Middelink; "Systematische Natuurkunde voor bovenbouw vwo B-1"; Van Walraven; 1991; ISBN 9060496108; p. 9-123.

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:
Geluidsgolven die zich in een gas (zoals lucht) voortplanten worden veroorzaakt door een mechanische trilling die een golf van hoge - en lage druk gebieden door de moleculen van het gas stuurt. In een vaste stof plant het geluid zich voort door verstoringen van de positie van atomen in de vaste stof. Geluidsgolven die zich door lucht voortbewegen zijn een typisch voorbeeld van longitudinale golven aangezien de drukveranderingen en verdringing van de luchtmoleculen in dezelfde richting plaatsvindt als de golf zicht voortbeweegt.


uniform verdeeld gas


een "drukgolf" met gebieden met lage en hoge druk
 
   

Algemene kenmerken van golven zijn:

  • De golflengte:λ, de kleinste afstand waarbinnen een golfpatroon past (de lengte van de sinus in m).

  • De frequentie:f, het aantal keren per seconde dat de golfbeweging herhaald wordt (eenheid : Hertz=Hz=1/sec)

  • De periode: T, de tijd benodigd voor een oscillatie of de tijd die de golf nodig heeft om een golflengte voort te bewegen (de lengte van de sinus in tijdseenheden).

  • De snelheid:v, de snelheid waarmee een golf zich voortbeweegt.

    •

  • De amplitude: A, de maximale grootte van de uitslag (de top van de sinus).

  • Een knoop in een golf is die positie waar de uitslag 0 is. Een buik is die positie waar de uitslag maximaal is.

Een golf op een koord is een voorbeeld van een transversale golf: de uitslag van het koord (de afwijking van de rechte lijn) is transversaal (staat loodrecht) op de richting van het koord. de golf beweegt zich voort over de lengte van het koord of is een staande golf die op zijn plaats oscilleert. De golven in een koord hebben een karakteristieke frequentie die bepaald wordt door de dichtheid van het koord (μ)en de spanning die op het koord staat (t). De snelheid van de golf in het koord wordt gegeven door v =  t.μ. Alhoewel staande golven zich in werkelijkheid niet langs het koord voortbewegen worden hun golflengte en frequentie gekarakteriseerd door:
λ.f = √(τ/μ)

23/06/2013