Experimenteren met geluid, stemvorken en de computer

Datum: Juni 2020 - December 2021

Principe:
Analyse van geluid en geluidspatronen.

Materiaal:

  • Stemvorken met klankkast, aanslagstok en klemmetje
  • CMA Coachlab
  • Geluidssensor (CMA 017i)
  • PC met Coachlab software en Audacity geinstallleerd
  • PC microfoon
  • Ping-pong balletje
  • Statief
  • Touw/koord
  • Plakband
  • Functiegenerator
  • Versterker
  • Kabels
  • Luidspreker
  • Bakje
  • Mobiele telefoon (functiegenerator app geinstalleerd)
  • USB luidspreker

Stemvorken met klankkast

Coachlab

 		Geluidssensor
Functiegenerator

 		Versterker
Plastic bakje op luidspreker met polystyreen korrels


PC microfoon

 		Statief

Uitvoering:

Audacity
  • Sluit een pc microfoon aan op de laptop
  • Positioneer deze naast stemvork en klankast
  • Start Audacity op
  • Druk op de opname knop
  • Sla de stemvork
  • Wacht even
  • Stop de opname
  • Analyseer het opgenomen signaal in Audacity
Coachlab
  • Voer deze meting ook uit met Coachlab en de CMA geluidssensor zoals weergegeven in onderstaande foto.
  • Men kan hiervoor een van de voorgeprogrammeerde Coachlab activiteiten gebruiken

Geluidsenergie overdracht
  • Plaats de twee stemvorken met klankkast naast elkaar
  • Bevestig de draad op het tafeltennis balletje m.b.v. wat plakband
  • Hang en tafeltennisballetje op in het statief en positioneer het tafeltennisballetje  zoals weergegeven op nevenstaande foto
  • Sla de rechte stemvork aan met de hamer en observeer
  • Maak een filmpje met de mobiele telefoon

Geluid is energie
  • Monteer een plastic bakje op de luidsspreker
  • Plaats er wat polystyreen korrels in
  • Sluit de luidspreker aan op een versterker en de versterker op een functiegenerator, zoals aangegeven inn nevenstaand schema.
  • Zet versterker en functiegenerator aan en observeer
  • Maak een filmpje met de mobiele telefoon
Resonantie
  • Hang wederom eeen pingpong balletje op aan een statief
  • Plaats de stemvork zoals weergegeven in nevenstaande foto met een van de tanden van de stemvork tegen het ping pong balletje
  • Verbind de bluetooth luidpreker met de telefoon, zet deze aan en positioneer deze bij de opening van de klankkast
  • Open de functiegnerator app en stel deze in op een sinusgolf met de frequentie van de stemvork(hier: 424 Hz)
  • Start de app en observeer

Resultaten en Discussie:

Geluid wordt altijd gegenereerd door een trillend object, de geluidsbron. Het trillende object (bv luidspreker) brengt een medium (voor ons de lucht maar hetzelfde geldt voor water) in een trillende beweging. Geluid bestaat dus uit bewegingsenergie die zich voortbeweegt in de ruimte. Het geluid pant zich voort door middel van longitudinale golven, die de weg van het geluid door verdichtingen en verdunningen van de lucht markeren, zoals aangegeven in onderstaande figuur.

De overdracht van energie demonstreren we met onderstaande experimenten.
In onderstaande filmpje gaan de polystyreen brokjes zich bewegen binnen het bakje als we de luidspreker via de toongenerator en versterker op een bepaalde hoorbare frequentie laten trillen.

YouTube link: Luidspreker

 
In bovenstaand experiment zou men nog kunnen tegenwerpen dat we het bakje mechanisch in trilling brengen. Onderstaand experiment laat duidelijk zien dat de energie via de lucht van de ene naar de andere stemvork overgebracht wordt. De tweede stemvork gaat trillen hetgeen we aan de beweging van het tafeltennisballetje kunnen zien.

YouTube link: Ping Pong




Resonantie is het verschijnsel dat een voorwerp mee gaat trillen met een van buitenaf opgelegde trilling (een gedwongen trilling). De frequentie waarmee een voorwerp uit zichzelf trilt wordt eigenfrequentie genoemd. Resonantie is maximaal als de eigenfrequentie en de van buiten opgelegde trilling gelijk zijn.

YouTube link: Resonantie



Geluid kunnen we zichtbaar maken door het op te nemen met een microfoon en het weer te geven op een oscilloscoop (een muziekprogramma zoals Audacity kun je binnen deze context ook als een oscilloscoop beschouwen). Als men dan ver genoeg op een signaal inzoomt krijgt men een sinusvormig signaal te zien.
Daar kunnen we de volgende kenmerken aan toekennen:
  • Frequentie: het aantal trillingen per seconde (f) uitgedrukt in Hertz (Hz, 1 Hz = 1/s). een hoge toon heeft een hoge frequentie
  • Trillingstijd: de tijd van 1 trilling (s): f = 1/T
  • Amplitudo of Amplitude: De afstand tussenhet midden en maximale uitslag van piek of dal geeft de sterkte van het signaal weer. Deze amplitude is gelijk aan de maximale druk die optreedt, gemeten in pascal.
We kunnen ook CoachLab met een geluidssensor gebruiken om het geluid zichtbaar te maken zoals men kan zien in onderstaande screenshot.
De gebruikte geluidsensor 017i is een microfoon met een interne versterker. De sensor meet de luchtdrukvariaties die veroorzaakt worden door de geluidsgolven. Coachlab biedt de mogelijkheid om een fit van het signaal te maken zoals te zien is in onderstaande screenshot.

Die formule kunnen we dan weer gebruiken om de golfeigenschappen te berekenen.
Als een instrument geluid voortbrengt via een gespannen snaar (zoals viool en gitaar) planten zich transverale golven voort in die snaar (de deeltjes zitten vast aan elkaat). De trillingen van de snaar doen verdichtingen en vedunningen onstaan in de omringende luchten deze planten zich voort via longitudinale golven (deeltjes hoeven niet gekoppeld te zijn).

Vertalen we deze definities naar meer auditieve begrippen dan spreken we van:
  • Toonhoogte: deze wordt bepaald door de frequentie van het geluid. Een hoge frequentie geeft een hoge toon. Het menselijk oor kan tonen horen van 20 to 20000 Hz. Als geluid een hogere frequentie heeft dan het menselijk oor spreekt men van ultrasoon geluid.
  • Geluidssterkte: deze geeft aan hoe hard het geluid klinkt (Amplitudo neemt toe). De geluidssterkte wordt uitgedrukt in decibel (dB). De dB schaal is logaritmisch, een geluid dat 10 dB hoger is hoor je 2x zo hard.
  • Klankkleur: een toon van een piano klinkt anders dan dezelfde toon van een viool. Elk muziekinstrument heeft zijn eigen klankkleur of timbre. Bij eenzelfde toonhoogte is de frequentie van de trilling gelijk maar het verloop van de trilling kan sterk verschillen. Aan de klankkleur kun je een instrument herkennen.

Een complex geluid bestaat uit trillingen met meerdere frequenties of tonen. De grondtoon is dan de laagste frequentie die wordt geproduceerd. Deze komt dan overeen met de toonhoogte van het complexe geluid. Een boventoon is een component van het complexe geluid waarvan de frequentie hoger ligt dan die van de grondtoon.

De klankkleur of timbre is bepaald door de verhouding van de overige trillingen of boventonen tot de grondtoon. In onderstaande tekening is a de grondtoon, b de boventoon en c vormt de samenstelling van deze 2 golven. De verhouding van b tot a geeft de klankkleur of timbre.

Opmerkingen:
  • Geluidsmeters hebben vaak al een zgn. A filter. Deze meten geluid zoals mensen het horen in dB(A) en de schaal begint bij geluid dat nog net hoorbaar is, de zgn. gehoordrempel.
 
Literatuur:
  • Richard T. Weitner and Robert L. Sells; "Elementary Classical Physics - Volume 1"; 2nd Ed. ; 1973; Allyn and Bacon; ISBN 020503597; blz 302-324.
  • Mike Goldsmith; "Sound A Very Short Introduction"; Oxford; 2015; ISBN 9780198708445
  • Henk Mulder; 'De Sinus: Lijn van Ups en Downs'; DJO; 8 1978; p 212,213.
  • Rossing, Moore, Wheeler; "The Science of Sound"; 3rd Ed.; 2014; Pearson; ISBN 12: 978-1-292-03957-2.
  • Trevor Cox; "The Sound Book"; 2014; Norton; ISBN 978-0-393-24282-9.
    •

Relevante websites

Minder relevante websites:
  

Achtergrondinformatie:

Transversale golven zijn golfbewegingen waarbij de uitwijkingen  loodrecht op de voortbewegingsrichting plaatsvinden (snaar, watergolven).



Longitudinale golven zijn golfbewegingen waarbij de uitwijkingen in de richting van de voortbewegingsrichting plaatsvinden. Bij geluid worden de luchtmoleculen afwisselend samengeperst (overdruk) en uitgerekt (onderdruk) en geven zo in je oor door drukwisselingen het geluidsignaal door.

Bij beide type golven geldt dat de materie die de golf doorgeeft (snaar, water, lucht) zichzelf niet verplaatst. De moleculen bewegen wel op- en neer of van elkaar / naar elkaar maar blijven netto op hun plaats. Alleen het signaal, "de golf", wordt doorgegeven.
Muziekinstrumenten:
  • Snaarinstrumenten: Zoals viool en gitaar.
    Geluid wordt geproduceerd door een gespannen snaar in trilling te brengen. De toonhoogte wordt gevarieerd door de spanning waarmee de snaar gespannen is re veranderen, des te strakker, des te hoger de toon. Dikkere snarern geven lagere tonen en korte snaren geven hogere tonen.
  • Blaasinstrumenten: Zoals trompet en fluit.
    Geluid wordt geproduceerd door een luchtkolom in trilling te brengen door of lucht in een opening te blazen of lucht over een opening te blazen of lucht met je lippen in trilling te brengen of lucht met een rietje in trilling te brengen.

Decibels:

Het verschil in geluidsvermogen tussen geluid P1 en P0 is:  10log10 (P1/P0)

Het vermogen is evenredig met het kwadraat van de geluidsdruk P1 en P2 is: 10log10(P12/P22) = 20log10(P1/P2)