Geluid zichtbaar maken

Datum: Januari 2010

Het wordt aanbevolen om het geluidsniveau van je PC te verlagen als de filmpjes geladen worden.

Inleiding:

Dit is een van die experimenten die je op het web in verschillende vormen kunt vinden en waarvan je onmiddellijk denkt, leuk, dat wil ik ook eens proberen. Het is ook een van die experimenten die  ontzettend eenvoudig lijken maar waar je uiteindelijk heel wat meer tijd aan spendeert dan je eerst verwachtte.

Principe:

Geluidstrillingen omzetten in mechanische arbeid.

Materiaal:

  • Zetmeel: aardappel zetmeel of mais zetmeel (maizena).
  • water
  • Luidspreker
  • Toongenerator of PC met bv sweepgen programma
  • Afdekfolie
  • Lepel
  • Kom
  • Versterker
  • Plastic Petrischaaltje
  • Versterker

 

Uitvoering:

  • Meng 2 delen zetmeel met 1 deel water.
  • Sluit de luidspreker aan op toongenerator of PC, evt. via een versterker.
  • Dek de luidspreker af met afdekfolie
  • Giet de suspensie in de luidspreker
  • Zet de toongenerator of het sweepgen programma aan en zoek een frequentie waar het geheel gaat trillen.
  • Observeer, verander ook eens de frequentie
  • Probeer het ook eens met een muziek

  • Neem een plastic petrischaal
  • Plaats een deksel in de luidspreker zodat deze precies past.
  • Giet er een sterk verdunde zetmeel suspensie in
  • Herhaal het experiment zoals hierboven besproken.
  • Bovenstaande experimenten kan men ook herhalen door een versterker in het systeem op te nemen zodat men meer vermogen naar de luidsprekers kan sturen.

Resultaten:

Experiment 1: Met Toongenerator & verdunde zetmeelsuspensie
 

YouTube link: Cymatics 1
Experiment 2: Met muziek  & verdunde zetmeelsuspensie
 

YouTube link: Cymatics 2
Experiment 3: Met muziek  & geconcentreerde zetmeelsuspensie
Nevenstaande experiment liet al een beetje zien wat ik wilde bereiken. Het vermogen dat ik naar de luidspreker stuur is alleen nog iets te laag.  

YouTube link: Cymatics 4
Experiment 4: Met sweepgen  & geconcentreerde zetmeelsuspensie
 

YouTube link: Cymatics 5
Experiment 5: Met sweepgen, petrischaal & waterige zetmeelsuspensie
 

YouTube link: Cymatics 3
Experiment 6 & 7: Met functiegenerator, versterker & waterige zetmeelsuspensie

YouTube link: Cymatics 8

 		 

YouTube link: Cymatics 6
Experiment 8: Met functiegenerator, versterker & geconcentreerde zetmeelsuspensie
Om nevenstaande filmpje te kunnen produceren ben ik met dit experiment begonnen. Het lijkt net alsof er een levend iets staat te bewegen.  

YouTube link: Cymatics 7
Experiment 9: Met functiegenerator, versterker & geconcentreerde zetmeelsuspensie Experiment 10: Met functiegenerator, versterker & gekleurd water

YouTube link: Cymatics 9

YouTube link: Cymatics 10

Discussie en conclusie:

Geluid kunnen we definiëren als een snel wisselende drukgolf in een medium. Bij zeer kleine en snelle veranderingen van de luchtdruk t.o.v. de luchtdruk van de atmosfeer (1 bara) praten we als snel over hoorbaar geluid. Deze schommelingen in druk zijn verhoudingsgewijs zeer klein fractie van een Pascal.

Geluid wordt vaak afgebeeld als een sinusgolf, maar fysisch gezien is geluid een longitudinale golf, de golfbeweging is in de richting van de beweging van de energie. De toppen van deze golf zijn de drukmaxima, de dalen van deze golf zijn de drukminima. Hoorbaar geluid trilt met een frequentie tussen 20Hz and 20kHz. De geluidsdrempel bij een geluidsgolf van een 1 kHz is ongeveer 20 micropascal.

Aan bovenstaande definitie kunnen we al zien dat geluid geproduceerd wordt als de lucht in beweging gebracht wordt door b.v. een trillend object. Het typische voorbeeld is de luidspreker. Als de conus van de luidspreker naar voren beweegt, dan wordt de lucht ervoor samengedrukt en de luchtdruk neemt vlak voor de conus iets toer. Als daarna de conus weer naar achter beweegt, dan daalt de luchtdruk. Op deze manier produceert de luidspreker pakketjes van dikkere en dunnere lucht die zich van de luidspreker af bewegen.

Het bestuderen van zichtbaar geluid en trillingen, meestal op het oppervlak van een plaat, diafragma of membraan wordt ook wel cymatics genoemd.

Algemene kenmerken van golven of trillingen 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)
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
Elk gas heeft een karakteristieke geluidssnelheid die bepaald wordt door de druk en de temperatuur. In lucht wordt de geluidsnelheid beschreven door:
va=331.5 (m/sec)+0.61⋅T(0C)
 
Resonantie treedt op als de frequentie die de golf veroorzaakt een golf creëert die exact overeen komt met de eigenfrequentie van het mechanische systeem of medium dat de golf draagt. In een koord waar beide uiteinden gefixeerd zijn kunnen staande golven alleen bestaan als er een geheel aantal halve golflengtes bestaat (L = n.l/2). In dit geval zijn de einden van de koorden gefixeerde knopen. De resonantiefrequentie wordt dan bepaald door de vergelijking:

In een buis of pijp die aan beide uiteindjes gesloten is beweegt het gas aan het einde van de pijp niet, er moet dus weer een geheel aantal halve golflengtes binnen de pijp om het mogelijk te maken dat er staande geluidsgolven aanwezig zijn in de pijp.

De karakteristieke frequenties worden bepaald door de lengte van de pijp en de geluidssnelheid binnen de pijp. De laagste karakteristieke frequentie wordt de basisfrequentie genoemd en hogere frequenties worden boventonen of hogere harmonischen genoemd.

In het systeem dat we in dit experiment opgebouwd hebben brengen we de vloeistof/suspensie in trilling m.b.v. de luidspreker. De grenzen zijn nu niet een pijp maar de conus van de luidspreker of de randen van de petrischaal. Bij bepaalde frequenties treden nu resonanties met hun typische pieken en dalen op die we in bovenstaande foto's en filmpjes kunnen waarnemen.
 
 

 

Literatuur:

  • J.C. Alders; 'Ons Acoustisch en Optisch Laboratorium'; Enum; 1948; p. 1-77.
  • Jearl Walker; "The Flying Circus of Physics with Answers"; John Wiley; 1977; ISBN 047102984x; p. 4, 228, 229.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Men kan veel filmpjes op het web vinden maar duidelijke instructies zijn moeilijker te vinden.
    Op het web heb ik gelezen dat iemand de luidspreker in een blik vastlijmde.
    Iemand anders lijmde een petrischaal in de luidspreker vast.
  • Tijdens mijn experimenten heb ik meer dan een luidspreker opgeblazen. Het wordt daarom aanbevolen het vermogen van de versterker niet te snel op te draaien.
  • Bij een kringloopwinkel kun je vaak oude luidsprekers vinden.
  • Ik heb drie toongenerators, maar slechts een daarvan leverde voldoende vermogen om dit experiment succesvol te laten zijn. Indien men een toongenerator gebruikt heeft men dus waarschijnlijk ook een versterker nodig.
  • Google zoekwoorden: cornstarch, sound; starch, speaker
    Als men op cymatics gaat zoeken in Google komt men ook de nodige pseudowetenschap tegen. Let erop dat men zin en onzin gescheiden houdt.
  • Het zetmeel zal niet in suspensie blijven maar na verloop van tijd uitzakken en een vaste klomp vormen. Spoel daarom de suspensie niet weg door de gootsteen.
  • Ik ben eerst begonnen te experimenteren met mini-luidsprekers die men op een MP3 speler kan aansluiten. Alhoewel men soms enkele patronen kon waarnemen werkte dat gewoon niet. Voor dit experiment heeft men luidsprekers nodig van een redelijke grootte en voldoende vermogen.
  • Het type connector dat ik gebruikt heb om de luidspreker makkelijk aan te sluiten kan men bij bv Gamma kopen.

Achtergrondinformatie:

Chladni Figuren
Een andere manier om geluidssignalen zichtbaar te maken is door fijn zand op een metalen plaat te strooien. Als deze dan in beweging gebracht wordt door er bv een viool strijkstok naast te bewegen vormen zich prachtige geometrische figuren. Men spreekt dan van Chladni figuren.
Viscositeit
Viscositeit is de 'stroperigheid' van een vloeistof of van een gas. Iets wetenschappelijker uitgedrukt: de eigenschap van een fluïdum die aangeeft in welke mate deze weerstand biedt tegen vervorming door schuifspanning. De wetenschap die zich bezighoudt met het stroomgedrag van stoffen wordt rheologie genoemd.

 

 Bestand:Viscositeit2.GIF

 

 Bovenstaande figuur is een schematische weergave van twee evenwijdige platen die op een afstand van dx van elkaar zitten en waartussen zich een vloeistof bevindt. Als deze platen t.o.v. elkaar gaan verschuiven ontstaat er een snelheidsgradiënt du/dx tussen deze platen. Om de platen echter tegenover elkaar te laten verschuiven moet arbeid verricht worden en daar is is een kracht voor nodig. Deze kracht noemen we een schuifspanning (τ, kracht gedeeld door de oppervlakte, in Pa). Als de snelheidsgradiënt klein is, geldt dat de schuifspanning evenredig met de snelheidsgradiënt volgens:

\tau = \eta {du \over dx}  

Hierin is η de (dynamische) viscositeit van de vloeistof in Poiseuille (Pa.s = Pascal * seconde).

Bovenstaande relatie geldt alleen maar als de stroming laminair is , dus stroomsnelheid laag is (Re < 40). Bij een te hoge stroomsnelheid ontstaat turbulentie en verdwijnt de lineaire relatie tussen de snelheidsgradiënt en de schuifspanning.

De viscositeit van een vloeistof is sterk afhankelijk van de temperatuur, bij hogere temperaturen zijn veel vloeistoffen minder viskeus dan bij lagere temperaturen. Bij gassen kan men juist de omgekeerde relatie waarnemen, bij een hogere temperatuur wordt een gas viskeuzer.

 

Voor de meeste vloeistoffen en gassen (bv water) geldt dat de uitgeoefende kracht recht evenredig met de snelheid en spreekt men van Newtoniaanse vloeistoffen. Dikkere vloeistoffen vertonen vaker niet-Newtoniaans gedrag d.w.z. dat de schuifspanningen niet lineair evenredig zijn met de snelheidsgradiënt. Niet-newtoniaanse vloeistoffen kunnen ofwel pseudo-plastisch zijn indien de viscositeit afneemt met de schuifspanning, zoals bijvoorbeeld mayonaise verf, of tandpasta, ofwel dilatant indien de viscositeit toeneemt met de schuifspanning, zoals bij stroop of pudding.


De zetmeel suspensie die we in bovenstaand experiment gemaakt hebben is een typisch voorbeeld van een niet-Newtoniaanse vloeistof. Als we er druk op uitoefenen wordt deze hard, de viscositeit neemt toe, oefenen we er geen druk op uit dan wordt deze weer vloeibaar, de viscositeit neemt af. Met dit stofje alleen al kan men leuke experimenten uitvoeren. Jammer genoeg is de zetmeelsuspensie die we maken niet stabiel. Na korte tijd scheid het water zich af van de zetmeelkorrels.

13/01/2017