题目

笛子的发声原理

提问时间：2020-10-25

答案

笛子是利用空气振动发声和空气柱共鸣的原理制成的.流动的气体压强减小,流速越快,压强越小.
示例：飞机在跑道前进时,由于机翼上下表面特殊的设计,使得流过上表面得气体流速大于下表面的气体流速,因而下表面气体对机翼的压力大于上表面气体对机翼的压力,当这个差值大于飞机的重量时,飞机就升空了.
笛子的发声原理和这个是一样的.当我们吹笛子时,气体从吹孔边缘进入笛子内部,在吹孔处做涡旋运动,这样吹孔内部的气体压强就减小,于是笛尾的气体就向吹孔运动（这个速度很快的,要把空气想象成很有弹性的东西,实际上也是这样的）,在吹孔处发声积压,这个运动又造成吹孔处压强增大,但是口风又在继续吹响吹气（物理上叫激励）,又把气体推向笛尾,然后吹孔处压强又减小,气体又向吹孔运动,如此循环,振动发出声音.
大家不要把振动简单的想象成这样的机械运动,这样笛子内部的空气振动形式是驻波,什么是驻波?这个东西我想编写一个动画程序来演示,不过今天是完不成的.简单的说一下：横波的驻波可以这样形成：在墙上固定一个很有弹性质量很小的的绳子的一段,手拿另一端上下运动,绳子上的波就是驻波.驻波的特点是：峰和谷相互转换,就是说第一秒的峰在第二秒下降成谷,第一秒的谷在第二秒上升为峰.远远看来这个横波驻留在原地踏步不前进,所以叫驻波.
但是空气不是横波,是纵波,纵波的驻波比较抽象,笛子内部的纵波是沿着笛子振动的,它是这样的：假设沿笛子内部分布有a b c d e f.等好多点,某一时刻ace位置上空气是稀疏的,压强小,bdf位置上是密集的,压强大；下一时刻ace位置处空气变成密集的,压强大,bdf两点空气变成稀疏的,压强小,如此循环,循环变化.固定看任何一点,这个地方的空气是疏密交替变化的.这就是笛子内的真实的振动.见示意图 笛膜是怎样振动的呢?理解了笛子内部真实的驻波,这个问题就好理解了.笛膜下方的空气也是疏密疏密交替变化的,这样压强就交替变化,而笛膜外界的压强是恒定的,这就造成了膜的振动.笛子内部笛膜处压强大,笛膜向外界运动；笛子内部笛膜处压强小,笛膜就向下运动,这就是笛膜的振动.
因为笛子内部的空气运动是有阻力的,靠近笛子内壁的气体,振动速度慢,因为它受到笛子内壁的阻力.就像河水一样,越靠近岸边的水流速度越慢.而笛子内部中间的气体没有阻力,振动就快（严格说是有阻力的,因为靠近它的气体必然距离笛子内壁更近,而这部分气体速度比中间气体的速度慢,因而对中间的气体有阻力）.这就是要把笛子内壁做得很光滑的一个原因.当笛子内壁
对空气阻力太大得时候,就会影响发音得灵敏度.严格的说,笛子内部不是只有一个驻波,而是许多个驻波,所以笛子演奏出来的音不是单纯的一个频率,处于笛子内中间部分的驻波起着决定作用,但是这还不是笛声是好多频率声音的混音的主要原因,主要原因在于人的口风.
人的口风里各个位置处的风速是不一样的,这样就造成了笛子内部的驻波振动有好多个.理论上说,你口风里有多少个速度,笛子内部就有多少个驻波,那么此时发出的声音有多少个频率.泛音是怎么吹来的呢?泛音是比较纯的音了,泛音中其他频率成分的音很少,原因就是吹泛音的时候口风很细,口风中的各部分气流速度都很接近,所以吹出的频率听起来比较单一,这就是泛音.口风的速度决定了主要频率的高低.