Modelo de "Vávula controlada por Flujo" en la Excitación de Tubos

El proceso de hacer sonar una flauta o un tubo de órgano de tipo flauta, emplea una corriente de aire dirigida a un borde. Sin embargo, el proceso difiere tanto del proceso de dirigir una corriente de aire sobre un borde alejado, que se modela en diferentes formas, y se utilizan diferentes idiomas para describirla. El libro de Rossing Science of Sound utiliza el término "lengüeta de aire", para describir la situación en la que la corriente de aire oscilante, es el medio para la excitación del sonido del tubo. En el uso de la terminología "lengüeta de aire", se señala que la oscilación no se controla por la presión, sino por el flujo de aire. La estructura del borde representa un "extremo abierto" en el tubo, y por lo tanto es un nodo de presión. El extremo abierto es un antinodo para el movimiento del aire (antinodo de desplazamiento de aire) y este flujo de aire máximo asociado con las ondas estacionarias del tubo, puede conducir la oscilación de la corriente de aire. Por el contrario, el extremo de la boquilla de un clarinete con su lengüeta, constituye un "extremo cerrado" acústico, un antinodo de presión que proporciona realimentación, de presión para ayudar a estabilizar y controlar la oscilación de la lengüeta.

La descripción del proceso de excitación como "válvula controlada por flujo" u "oscilador controlado por flujo", se remonta a Helmholtz en su investigación de la resonancia de cavidad. El tono que se produce soplando sobre una botella de cola, implica una oscilación de aire dentro y fuera de la boca de la botella, que se puede describir como "flujo controlado". Cuando el aire fluye fuera de la botella, dirige la corriente de aire hacia el exterior, y cuando el flujo de aire asociado con la vibración resonante es hacia adentro, dirige la corriente de aire hacia el interior, para proporcionar energía que sostiene la oscilación. Helmholtz describe la excitación de la flauta de la misma manera que el movimiento del aire a partir de una onda estacionaria, que fuerza la corriente de aire del músico fuera y dentro de la flauta de manera periódica.

Benade comenta sobre las deficiencias del modelo de Helmholtz, explicando que el flujo de aire del músico, se demora considerablemente de estos cambios de movimiento de aire por las ondas estacionarias de los tubos. Cita el trabajo de Coltman y Fletcher, como aclaración de algunos detalles de la acción de la "válvula controlada por flujo", en el orificio de la embocadura de la flauta. Su trabajo puso de relieve la importancia del tiempo de tránsito desde los labios del músico al lateral del orificio de la embocadura, y su relación con los períodos de oscilación de los componentes de sonidos (armónicos) presentes en el tono.

Hall analiza la naturaleza de los bordes y la excitación de tubos de órgano. Se explora el papel de los remolinos o espirales de aire en el borde, y se da alguna ilustración de los mecanismos de realimentación que probablemente contribuyen a la oscilación de la corriente de aire, y ayuda al sonido del tubo y a sus frecuencias de resonancia.

La diferencia entre el "tono de borde" que se vió en el sonido de una flauta, tubos de órganos, etc, y los tonos producidos al dirigir el aire sobre un borde que no está acoplado a una columna de aire, ha sido objeto de considerable debate e investigación. Comentarios de Benade: "Hasta hace poco ha habido una tendencia... a confundir los sonidos producidos por el soplado de un chorro estrecho de aire contra un borde afilado, cuando el borde forma parte de una flauta o un tubo de órgano (comportamiento de lengüeta o caña de aire), con los que se producen cuando el sistema se ejecuta de forma aislada (comportamiento tono de borde). En este último caso se lleva a cabo un tipo de remolino de chorro de aire repetitivo llamado vórtice, en lados alternos, y si se utiliza un borde afilado para separar los dos conjuntos de vórtices, se produce un sonido. El fenómeno de vórtice sólo tienen una influencia secundaria en la producción de sonido de tipo flauta, además, a presiones de soplado ordinarias musicales, las frecuencias de tono de borde son tan elevadas, que son casi inaudibles."

Parte de la literatura que se ocupa de las diferencias entre los tonos de bordes libres y el comportamiento de los bordes en la flauta y tubo de órgano:

1. Coltman, John W., "Sounding Mechanism of the Flute and Organ Pipe", J. Acoust. Soc. Am. 44 (1968)
2. Fletcher, N. H., "Nonlinear Interactions in Organ Flue Pipes," J. Acoust. Soc. Am. 56 (1974)
3. Bouasse, H., Instruments a' Vent, 2 vols., Paris: Librairie Delagrave, 1929,1930.
4. Cremer, L. and Ising, H., "Die selbsterregten Schwingungen von Orgelpfeifen," Acustica 19, 143-153,(1968)
5. Elder, S. A., "Edgetones versus Pipetones," J. Acoust. Soc. Am. 64, 1721-1723, (1978)

Oscilaciones en un Borde Libre

Si se dirige aire o un líquido hacia un borde afilado, se podría esperar que se divida por igual y sin problemas en el borde. Pero la naturaleza no se comporta de esa manera. Se tiende a producir oscilaciones del flujo de ida y vuelta a través del borde. Esto ha sido largamente asociado con la formación de remolinos o vórtices en el flujo. Se observa que la frecuencia de la oscilación tiende a subir linealmente con la velocidad del flujo, pero que la frecuencia en un "borde" de mayor diámetro, es menor.

Esta oscilación del fluido impulsado se observa en una amplia variedad de situaciones. Uno de los más conocidos es el sonido de cables eléctricos tensos en el viento. Mi esposa y yo vivímos en el norte de Gales durante un año y escuchábamos este sonido todos los días. Fuera del dormitorio de nuestro "apartamento" del piso tercero, había un cable eléctrico delgado y tenso, que estaba constantemente expuesto al viento frente al estrecho de Menai. Nos despertábamos cada mañana con el sonido del silbido de alambre en el viento, así que teníamos un informe instantáneo del tiempo ya que un tono más alto significaba una mayor velocidad del viento. Nuestra norma común era "¡Esta mañana el cable llega hasta la F! ¡Quedémosnos en la cama!"

Otros ejemplos comunes de oscilaciones impulsadas por líquido:

1. La correa que se utiliza para atar una carga en una camioneta va a vibrar con el viento. A menudo se pueden ver ejemplos de modo de vibración fundamental de una cuerda, en una tira tensada en el viento.
2. Si se trata de utilizar plástico para cubrir la carga que se ha descrito anteriormente, se encontrará que cualquier borde del plástico expuesto, oscilará violentamente por el viento, por lo que es difícil mantener cubierta una carga si los bordes están expuestos. Las esquinas de una cubierta o cabos sueltos de una correa se ponen a batir tan violentamente que tienden a desgastarse.
3. Una bandera en un asta, ondeará con el viento. Un viento constante generará un rápido aleteo de la tela de la bandera.
4. Una cometa en el viento demuestra la dependencia de su diámetro sobre la oscilación inducida por el fluido. El material del cometa ondeará rápidamente por la componente de viento dirigida hacia su borde, pero también se balanceará lentamente hacia adelante y hacia atrás en el viento, probablemente por la componente del viento dirigida hacia el área completa de la cometa. Actuando como una barrera más grande, el cuerpo de la cometa experimenta una oscilación más lenta.
5. Si se mete los dedos en el agua y se mueve la mano rápidamente a través del agua, los dedos se baten, presumiblemente a causa de la oscilación inducida por fluidos.
6. Dirigiendo el chorro de una manguera sobre una rama o un tallo. Si se mantiene el flujo constante, se observará que la ramita comienza a oscilar hacia atrás y adelante del chorro.
7. Se puede sentir una oscilación del fluido en la experiencia de montar sobre un esquí acuático de slalom. A medida que el pie rompe la superficie del agua y comienza a ararla, comenzará a oscilar hacia atrás y adelante. ¡Ahí es cuando se suele caer! Si se hace a través del periodo de oscilación y se consigue poner el esquí sobre un plano, deja de oscilar.

Si se sopla aumentando la velocidad del flujo de aire, en un silbato compuesto por una rendija y un borde, se notará que se obtienen saltos en el tono y se experimenta varias gamas de tonos de borde. Asociado con los vórtices en el flujo, existen varios regímenes de tonos de borde. La ilustración de abajo es una adaptación de Hall, que hace referencia a la labor de Coltman. Con patrones de formación de vórtices y con la realimentación del borde a la ranura, se asocian regímenes de diferentes tonos de borde.