Hvirvelfløyta: En Helmholtzresonator, eller…?

Alle akustikere kjenner Helmholtzresonatoren, og den mest kjente demonstrasjonen av fenomenet er vel at man blåser over tuten på en tom flaske. En rimelig ren tone stråler ut. En finner fort at en er låst til denne tonen og at samme hvor hardt eller forsiktig du blåser vil ikke tonen forandre seg.

I akustikkundervisningen er den et mye brukt eksempel da en lett kan regne seg til hvilken frekvens resonansen har ved å måle flaskedimensjonene og bruke Helmholtzformelen. Et par spørsmål kan allikevel få studentene til å stusse: hvorfor virker det best når du blåser med en bestemt hastighet, og hvorfor forsvinner lyden om du borer et lite hull i flaskekroppen?

Virvelfløyte i klangrom
Flaska montert i klangrommet

Eller enda mer interessant: hva skjer om du ikke blåser over flaskeåpningen, men skrått inn nær bunnen av flaska? Et par forsøk med en plastflaske, et tynt rør og litt lim viser at du får en fløyte med helt andre egenskaper. Frekvensen øker med hvor kraftig du blåser! For å undersøke dette nærmere fikk vi glassblåseren ved NTNU til å lage en flaske med et presist tilpasset rør for å gjøre mer nøyaktige målinger. Vi ser flaska til høyre der den er montert for målinger i klangrommet. Den lille tuten i flaskebunnen er for å kunne måle det statiske trykket inne flaska og se hvor mye høyere dette er enn atmosfæretrykket på utsiden. Vi ser også trykkluftslangen som gir adgang til variabel luftmengde inn i flaska.

tegn2Grunnen til at vi valgte en gjennomsiktig flaske var for å kunne observere bevegelsen på innsiden ved hjelp av røyk eller tynne tråder, eller fargestoff i vann. (Ja, fløyta virker likt i vann også.) Tynne tråder viser at i vårt tilfelle kommer lufta inn tangentielt i flaska, spirallerer oppover og ut gjennom det tynnere utstrømningsrøret. På utsiden snurrer tråden omkring og danner en slags vifte. Små tråder viser dette klart men er vanskelig å ta bilde av. Skissen til høyre illustrerer det omtrentlige forløpet.

Den mer målemessige delen viste at frekvensen økte lineært med kvadratroten av forskjellen i det statiske trykket målt ved flaskebunnen og det utenfor flaska. Dette indikerer at frekvensen øker lineært med volumhastigheten. Videre fant vi at den akustiske effekten øker som sjette potens av frekvensen (og dermed volumhastigheten) ved økende lufttilførsel, noe som er typisk for dipol-type aerodynamiske lydkilder.

Det vil være interessant å finne ut flere detaljer om hva som skaper lyden, få fenomenet under beregningsmessig kontroll, og diskutere mulige ingeniørmessige anvendelser. Kanskje dette kan brukes som hastighetsmåler i en miniatyrisert utgave?

Share on Facebook0Share on Google+0Share on LinkedIn0Tweet about this on Twitter