whirly tube

[jkien]

De whirly tube (slingerbuis) is een interessant muziekinstrument: een geribbelde buis die een toon voortbrengt als er lucht doorheen waait, als je hem rondslingert. Hoe sneller hij wordt rondgeslingerd des te hoger de toon, maar sprongsgewijs, want alleen de staande golven die in de open-open buis passen zijn mogelijk. Om de tonenreeks nader te onderzoeken heb ik het geluidsspectrum gemeten van onderstaande youtube video van een whirly tube, met een spectraalanalyse-app op mijn telefoon.



De frequenties in het spectrogram waren 400 Hz, 600 Hz, 800 Hz, 1000 Hz en 1200 Hz. Verrassend is dat de grondtoon van 200 Hz, de grootste gemene deler, ontbreekt. Bij veel muziekinstrumenten is de grondtoon de laagste en luidste toon, en de makkelijkste opgewekte toon, maar bij de whirly tube is hij blijkbaar erg zwak of geheel afwezig. Op grond van de frequentie van die afwezige grondtoon, 200 Hz, kun je berekenen dat de buis 85 cm lang is, wat ongeveer klopt met het beeld van de video.

[HansH]

ik heb me altijd al afgevraagd wat er nu precies gebeurt in zo'n geribbelde buis. welk effect is verantwoordelijk dat de amplitude bij een frequentie opslingert ipv uitdooft. Als je dat begrijpt dan zul je waarschijnlijk ook kunnen verklaren waarom dat bij de laagste tonen niet lukt.

[jkien]

Op internet heb ik iets over de aerodynamica van de whirly tube gevonden, maar het blijft vaag, voor wie geen aerodynamicus is. Ook op de TU Eindhoven is onderzoek aan de whirly tube gedaan. Boven een bepaalde stroomsnelheid U vindt bij elke ribbel 'vortex shedding' (wervel-afscheiding) plaats, op het punt waar de buis zich verbreedt, met een vortex shedding frequentie die evenredig is met de stroomsnelheid U. Als die frequentie (bijna) gelijk is aan een eigenfrequentie van de buis ontstaat er in de buis een sterke staande golf van de luchtdruk (c, hier als een transversale golf getekend, maar de geluidsgolf is uiteraard longitudinaal). Door een feedback mechanisme wordt de vortex shedding frequentie nog iets verschoven naar de eigenfrequentie van de buis.

Bij lage stroomsnelheid U komt de grondtoon niet tot ontwikkeling doordat de snelheid zo laag is dat de stroming laminair blijft, zodat vortex shedding niet optreedt.

[OOOVincentOOO]

Zou men iedere ribbel kunnun zien als een noise generator zoals bij riet instrumenten?

Een riet instrument als hobo saxofoon heeft maar een rietje. Deze geeft een heel spectrum aan tonen/noise en de buis geometrie instrument versterkt/filterd enkele.

Zo te zeggen er bevinden zich een heleboel rietjes/ribbels in de resonantie buis?

[OOOVincentOOO]

Misschien is een vergelijk met riet instrument minder goed. Het rietje trilt physiek/mechanisch. Een mondstuk als trompet, trombone, hoorn etc. Of inham van een orgelpijp of fluit Is beter. Deze genereren ook een spectrum aan noten/frequenties zonder mechanisch te trillen.

Volgens mij hebben de inhammen whirly tube vergelijkbare functie. Hypothese: een flexibele slang met gaten (misschien als mondstuk fluit) op intervallen kan ook werken als noise generators.

[jkien]

De term ruisgenerator suggereert dat die generator een breed frequentiespectrum zou genereren, de windsnelheid zou dan niet meer uitmaken, en de buis zou gelijktijdig meerdere eigenfrequenties uit de ruis kunnen filteren.

Maar bij de whirly tube genereert elke ribbel een 'vortex street' (wervelstraat) zoals in onderstaande video (hoewel die video eigenlijk uitgaat van een cilindervormig obstakel), waarbij de afscheidingsfrequentie (het aantal vortices dat per seconde wordt afgescheiden) evenredig is met de windsnelheid. Deze generator produceert dus absoluut geen breed frequentiespectrum. De afscheidingsfrequentie exciteert in de buis de staande golf met de dichtstbijzijnde frequentie. Deze staande golf synchroniseert vervolgens de afscheiding van vortices (feedback).

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Karm ... linder.ogv
Dit ogv-bestand is een video, maar op smartphones is dat helaas niet te zien: het ovg-bestandsformaat wordt niet ondersteund op smartphones. Bron van de video: wikipedia.

[OOOVincentOOO]

De term ruisgenerator suggereert dat die generator een breed frequentiespectrum zou genereren, de windsnelheid zou dan niet meer uitmaken, en de buis zou gelijktijdig meerdere eigenfrequenties uit de ruis kunnen filteren.

Dat de windsnelheid op het spectrum geen invloed heeft ben ik het niet mee eens, of ik begrijp jouw verkeerd. Door meer (wind)snelheid toe te voegen krijgen de hoge tonen meer energie. Een trompettist moet zijn mond flink knijpen (snelheid verhogen) om een hoge toon te spelen, dit geld ook voor mijn contrabas bij hoge tonen moet ik met meer kracht aan een snaar trekken met meer spanning evenzo met strijkstok sneller bewegen.

Volgens mijn begrip volgens de Mersenne's wet (Wiki):
$$f_0=\frac{v}{\lambda}=\frac{1}{2L} \sqrt{\frac{F}{\mu}}$$
Met: \(\small{f_0}\): (resonantie) frequentie, \(\small{v}\): snelheid, \(\small{\lambda}\): golflengte, \(\small{L}\): object geometrie/lengte, \(\small{F}\): krachting/spanning, \(\small{\mu}\): massa per lengte.

Heruit is af te lezen dat een grotere kracht of minder massa of meer snelheid een spectrum geeft met meer aandeel hoge frequenties/noten.

Ik zal de artikels over whirly nog een verder studeren. Maar vooralsnog veroorzaken/zijn de ribbels oscilatie/ruis generators welke gaan resoneren (terugkoppeling of feedbacken zoals jij noemt) net zoals een ruisgenerator gaat resoneren: rietje, mondstuk, strijkstok, hamer (piano) met een muziek instrument.

[jkien]

Maar vooralsnog veroorzaken/zijn de ribbels oscilatie/ruis generators welke gaan resoneren (terugkoppeling of feedbacken zoals jij noemt) net zoals een ruisgenerator gaat resoneren: rietje, mondstuk, strijkstok, hamer (piano) met een muziek instrument.

De term feedback is het jargon van wetenschappers van de TU Eindhoven die in 2012 onderzoek deden naar de whirly tube: "Aeroacoustics of the swinging corrugated tube: Voice of the Dragon". Hun analyse gaat over de ontwikkeling van vortices waar de grenslaag loslaat van de wand. Het artikel bestaat uit theorie en een numeriek model van de stroming. De auteur, Gunes Nakiboglu, schrijft:

Furthermore the flow separation is also very sensitive to acoustical perturbations. These perturbations trigger the rollup of the shear layer into vortices. This receptivity of the shear layer to acoustic perturbations is essential in the whistling process. It couples the vortex shedding developing at each corrugation with the global standing acoustical wave in the tube. As a consequence, the unsteadiness of the flow within each cavity (corrugation) along the pipe is synchronized with a global acoustic oscillation of the pipe. Actually, it is a feedback system in which the flow instability at each cavity is a power supply and the pipe is a filter, selecting a specific tone corresponding to a standing longitudinal wave (resonance mode). This is a sound amplification by stimulated emission radiation device analogous to a laser.

De instabiele grenslaag maakt hun model fundamenteel anders dan jouw model.

[HansH]

Het doet me denken aan de resonerende schoorsteen of de resonerende brug bij hoge windsnelheden. Dat is een instabiel effect wat niet lineair is en zichzelf versterkt boven een bepaalde luchtsnelheid. Het vortex effect wordt veroorzaakt doordat lucht gedwongen wordt in een andere richting te gaan stromen rond opstakels, maar daarbij een serie symmetrische oplossingen heeft met een bepaalde resonantiefrequentie (de lucht kan net zo goed naar rechts afbuigen als naar links) en dan gaat het systeem oscilleren tussen die oplossingen. Dat zal ook in de geribbelde buis zo zijn. Daarnaast zal het regelmatige patroon wel helpen om resonanties rond elke inkeping te versterken volgens een bepaald faseverband.

[OOOVincentOOO]

Een beetje het huis rond gezocht en geëxperimenteerd. Ik heb geen whirly Tube. Maar ik had op zolder een stuk flexibele elektriciteit slang/buis liggen met ribbels.

Mijn eerste opzet was middels een vacuumvat aan een uiteinde te zuigen. Dat lukte niet met mijn vacuumvat van circa 20L. Teveel rompslomp en geen aansluitingen en onderdelen.

Dit experimentje heb ik gedaan:
1) 1 meter van de flexibele slang afgezaagd.
2) 35 jaar geleden heb ik trompet gespeeld. En met een uiteinde de slang als trompet bespeeld.
3) Enkele opnamen gemaakt met Python (code onderstaand).
4) Getracht overtonen te blazen en op te nemen.
4) Spectogram gemaakt middels python (zie figuur).
5) Geanalyseerde frequentie gecontrolleerd middels een online tool.
6) Stukje ingezoomed op tijd signaal.

Observaties:
1) Overtonen blazen met de 1 meter slang is moeilijk en instabiel. Met een langere slang lukt dit wel. Echter meer tijd besteed aan opnemen, programmeren, verifieren en analyseren.
2) Rondsligeren elec. slang/buis lukt niet. Plastiek is te zwak en word "wit" en schuurt.
2) De frequentie gemeten middels online tool is circa 240 Hz.
3) Het spectogram toont the frequentie verdeling/verandering in de tijd.
4) De frequenties blijven constanst in de tijd betekenend iets te herinneren van het trompet spelen!
5) De gemeten grond frequentie is gelijk aan 240 Hz zoals via online tool.
6) Verdubbelingen (octaven) van frequentie aangetoond, geen of nauwelijks harmonischen te zien.

Verder:
1) Als ik zin en tijd heb probeer ik nog een stukje gewone electriciteit pijp te vinden en het testje herhalen.

*.Wav File (gezipped eerst uitpakken):

f_0_1000mm_01_wav

(1.66 MiB) 161 keer gedownload

Opname geluid:

Code: Selecteer alles

import sounddevice as sd
from scipy.io.wavfile import write

fs = 44100  # Sample rate
seconds = 60  # Duration of recording

myrecording = sd.rec(int(seconds * fs), samplerate=fs, channels=1)
sd.wait()  # Wait until recording is finished
write('f_0_1000mm_01.wav', fs, myrecording)  # Save as WAV file

Spectogram:

Code: Selecteer alles

from scipy.io import wavfile
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.mlab as mlab
import numpy as np

# Define layout spectrogram plot and time series
layout = [  ["time"], ["timepart"], ["freq"]]
gs_kw = dict(width_ratios=[1], height_ratios=[1, 1, 1])
fig, axd = plt.subplot_mosaic(layout, figsize=(16, 9), layout="constrained", gridspec_kw=gs_kw)

# Sample frequency
fs = 44100

def spectogram(signal):
    # calcuate the spectrogram, determine perios instead of frequency
    spec, freq, t = mlab.specgram(signal, Fs=fs, mode="magnitude", NFFT=5000, noverlap=5000-50)

    # Crop frequency range: 0-1500 Hz
    difference_array = np.absolute(freq - 1500)
    end = difference_array.argmin()

    difference_array = np.absolute(freq - 0)
    start = difference_array.argmin()

    return t, freq[start:end:], spec[start:end:]


sample_rate, samples = wavfile.read('f_0_1000mm_01.wav')

# Played from 1540000 onward
signal = samples[1540000:]

# Plot time signal
time = np.arange(np.size(signal))/sample_rate
axd["time"].plot(time, signal, color="black", linewidth=0.025)
axd["time"].set_xlabel("elapsed time [seconds]")
axd["timepart"].plot(time, signal, color="black", linewidth=0.5)
axd["timepart"].set_xlabel("elapsed time [seconds]")

# Plot Spectogram
time, period, spectrum = spectogram(signal)
axd["freq"].pcolormesh(time, period, spectrum, cmap="coolwarm")
axd["freq"].set_xlabel("elapsed time [seconds]")

plt.show()

[jkien]

Leuk experiment met de beschikbare materialen! Een belangrijke kanttekening is wel dat een buis die je als een trompet bespeelt niet overeenkomt met een whirly tube. De toon ontstaat dan niet in de grenslaag van de buis.

[OOOVincentOOO]

Leuk experiment met de beschikbare materialen! Een belangrijke kanttekening is wel dat een buis die je als een trompet bespeelt niet overeenkomt met een whirly tube. De toon ontstaat dan niet in de grenslaag van de buis.

Vandaag een verlofdag ik werk namelijk in Duitsland!

Twee opnamen gemaakt waarbij ik geblazen heb door de 1 meter flexibele geribbelde elec. slang.

Proef:
1) Het was voor mij mogelijk zacht (snelheid langzaam) en hard (snelheid hoog) te blazen en heb hier opnamen van gemaakt.
2) Middels dezelfde procedure het spectogram bepaald.
3) Frequentie gecontrolleerd met online tool.
4) Het hoge geluid komt overeen toen ik ooit "echte" whirly tube probeerde.

Observaties: langzaam blazen
1) Gemeten frequentie: circa: 1933 Hz.
2) Tijdsignaal ziet bijna als een sinus uit.
3) Hoofdintensiteit bij 1933 Hz.
4) Serie: 1782 [Hz] (zwak), 1951 [Hz] (sterk), 2108 [Hz] (medium), 2247 [Hz] (zwak).
5) Verschil tussen harmonischen: 155 Hz
6) Op laatste tweede geluid even een lagere frequentie 1782 Hz hoorbaar/zichtbaar.
7) Grondtoon tussen A# en B net zoals trompet methode vorige bericht.

Wave File (gezipped):

f_0_1000mm_Slow Blowing_01

(1.04 MiB) 131 keer gedownload

Observaties: snel blazen
1) Gemeten frequentie: circa: 2170 Hz.
2) Tijdsignaal ziet bijna als een sinus uit.
3) Hoofdintensiteit bij 2170Hz.
4) Serie: 2108 [Hz] (zwak), 2259 [Hz] (sterk), 2422 [Hz] (medium), 2597 [Hz] (zwak).
5) Verschil tussen harmonischen: 158 Hz.
6) Er is een laagfrequent zweving zichtbaar waarschijnlijk door snelheid verschillen (instabiliteit blazen).

Wave File (gezipped):

f_0_1000mm_Fast Blowing_01

(1.02 MiB) 124 keer gedownload

[OOOVincentOOO]

Appendix:
Hier nog de spcetogrammen blazen door flexslang met ribbels. Op logaritmische schaal (had ik eerder moeten doen!).

1) Als trompet:

2) Langzaam blazen (snelheid laag):

3) Snel blazen (snelheid hoog):

[jkien]

Hier nog de spcetogrammen blazen door flexslang met ribbels. Op logaritmische schaal (had ik eerder moeten doen!).

Welke variabele heb je op een logaritmische schaal weergegeven? Bij een spectrum zou de lezer verwachten dat je de frequentie bedoelt, maar die heeft in je figuren toch een lineaire schaal.

Twee opnamen gemaakt waarbij ik geblazen heb door de 1 meter flexibele geribbelde elec. slang.

Bedoel je met blazen iets anders dan met trompetteren met je lippen? Een trompet is een blaasinstrument, dus trompetteren is blazen, maar misschien bedoel je het anders.

[OOOVincentOOO]

Welke variabele heb je op een logaritmische schaal weergegeven? Bij een spectrum zou de lezer verwachten dat je de frequentie bedoelt, maar die heeft in je figuren toch een lineaire schaal.

Bedoel je met blazen iets anders dan met trompetteren? Een trompet is een blaasinstrument, dus trompetteren is blazen, maar misschien bedoel je het anders.

Een trompet is niet gewoon blazen. Men knijpt de lippen net zoals een rietje van een riet instrument. De betreffende opnamen zijn puur blazen zoals "Whirly" wat bijna iedereen kan doen zonder trompet les. Dat hoog je in de opnamen terug het typische "Whirly" geluid.

Ik heb de intensiteit/amplitude logaritmisch weergeven om de harmonischen beter te zien.

De frequentie as is linear omdat de harmonischen linear verdeeld zijn. Meestal neem ik de as verdeling betreffende eigenschappen. Niet omdat het "altijd" zo gedaan word. In de appendix heb ik een spectogram gemaakt met log verdeling (maakt aflezen frequenties moeilijker).

=================================================


Extra test:
1) 2 meter lang geribbeld elec. flex buis genomen (in plaats van 1 meter).
2) Eerste blaas test (gewoon zoals als iedereen kan). Minder snelheid is nodig tonen te creëren (erg makkelijk).
3) Opname gemaakt met laagste mogelijke snelheid geblazen. Het geluid is zeer zacht dus dicht bij microfoon gehouden.
4) Opname gemaakt met sweepen: zacht blazen (langzaam) aanvang hard (snel) blazen aan het einde. De intensitiet neemt snel toe. Gedurende de sweep afstand tot microfoon vergroot: voor freq. niet zo dramatisch (halve meter in 15 seconden m.b.t. doppler).

5) Met 2 meter buis is het mogelijk ook het vacuum (vat) te gebruiken als aanzuiging. Minder snelheid is nodig voor tonen te creëren. Echter mijn ijskast compressor spuugt te veel olie en is ongezond.

Observaties:

2000 [mm] (zeer zacht) blazen.
1) Frequentie: 984 [Hz] (zwak), 1064 [Hz] (sterk), 1136 [Hz] (sterk), 1216 [Hz] (zwak), 1285 [Hz](zwak)...
2) Op resonantie frequentie na vergelijkbaar als 1000 [mm].

Wave File gezipped):

f_0_2000mm_Soft_01_small

(1.11 MiB) 129 keer gedownload

2000 [mm] sweeping.
1) De grond start frequentie op: 1140 [Hz], 1234 [Hz], 1314 [Hz], 1397 [Hz], 1477 [Hz]
2) In het hoge frequentie bereik onderscheid tussen harmonischen moeilijk.
3) Er zijn gestapelde frequentie toevoeging zichtbaar. aanvang: 1140 [Hz], halverwege: 2770 [Hz] erbij, tot slot: 4990 [Hz] erbij (quantisatie/stappen zoals opening video).

Wave File gezipped):

f_0_2000mm_Sweep_01_small

(1.2 MiB) 136 keer gedownload

Appendix: Voorbeeld sweep spectogram met lof frequentie as: