Nếu bạn có thể quan sát âm thanh di chuyển qua không khí, bạn sẽ học được điều gì? Đó chính xác là những gì ống Ruben's cho phép bạn làm. Thí nghiệm đơn giản này sử dụng lửa để cho thấy sóng âm hoạt động như thế nào bên trong một ống kín. Các nhạc công, sinh viên vật lý và những người ham học hỏi đều thấy nó hấp dẫn vì nó biến một hiện tượng vô hình thành thứ bạn có thể thực sự nhìn thấy.
Trong hướng dẫn này, bạn sẽ tìm hiểu ống Ruben's là gì, vật lý hoạt động ra sao và tại sao nó lại quan trọng với bất kỳ ai nghiên cứu về cách âm nhạc di chuyển trong không gian.
Ống Ruben's Là Gì?
Một ống Ruben's là một ống kim loại hoặc thủy tinh dài được bịt kín ở cả hai đầu. Một đầu kết nối với nguồn khí đốt, thường là propan. Đầu còn lại gắn với loa hoặc nhạc cụ. Dọc theo mặt trên của ống, các lỗ nhỏ được khoan ở khoảng cách đều nhau.
Khi khí lấp đầy ống, nó thoát ra qua các lỗ đó. Việc đốt khí thoát ra tạo ra một hàng ngọn lửa chạy dọc chiều dài ống. Khi nghỉ ngơi, khi không có âm thanh phát, các ngọn lửa này có chiều cao gần như bằng nhau. Đường lửa phẳng, đều này đặt nền tảng cho những gì sẽ xảy ra tiếp theo.
Cấu Tạo Cơ Bản
- Ống kín với nguồn cung cấp khí ở một bên
- Loa hoặc nhạc cụ ở phía bên kia
- Các lỗ được khoan đều nhau dọc theo mặt trên
- Hàng lửa phản ứng với âm thanh
Cách Vật Lý Hoạt Động
Khi bạn phát một tần số ổn định vào ống, điều gì đó thay đổi. Sóng âm di chuyển bên trong ống, bật lại từ đầu kín và phản xạ trở lại. Điều này tạo ra thứ mà các nhà vật lý gọi là sóng dừng. Sóng dừng không di chuyển về phía trước. Thay vào đó, nó dao động tại chỗ, tạo ra các điểm cố định dọc theo ống.
Đây là ý nghĩa của nó trong thực tế. Dọc theo chiều dài ống, một số vùng có áp suất không khí cao trong khi các vùng khác có áp suất thấp. Các vùng này giữ nguyên vị trí so với các đầu ống. Các vùng áp suất cao đẩy khí ra khỏi các lỗ với lực lớn hơn. Các vùng áp suất thấp cho phép khí thoát ra nhẹ nhàng hơn.
Tại Sao Chiều Cao Ngọn Lửa Thay Đổi
Chiều cao ngọn lửa bạn nhìn thấy phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ khí thoát ra khỏi mỗi lỗ tại bất kỳ thời điểm nào. Khi sóng âm tạo ra đỉnh áp suất tại một lỗ, khí phun ra nhanh hơn và ngọn lửa cao hơn. Khi một thung lũng áp suất nằm trên một lỗ, khí thoát ra chậm hơn và ngọn lửa nhỏ lại. Kết quả là một hàng ngọn lửa nhảy múa lên xuống theo các mẫu phù hợp với tần số âm thanh đang phát.
Tần số cao hơn tạo ra các thay đổi áp suất nhanh hơn dọc theo ống, tạo ra các đỉnh và thung lũng gần nhau hơn. Tần số thấp hơn làm các đỉnh và thung lũng cách xa nhau hơn. Nếu bạn phát một cao độ không đổi, mẫu ngọn lửa vẫn ổn định. Nếu bạn thay đổi cao độ, mẫu hình sẽ chuyển đổi để phù hợp.
Những Gì Bạn Có Thể Thực Sự Nhìn Thấy
Quan sát ống Ruben's hoạt động biến các khái niệm trừu tượng thành cụ thể. Đây là những gì thường xảy ra với các đầu vào khác nhau.
Khi bạn phát một âm thuần khiết từ bộ tổng hợp hoặc âm thoa, các ngọn lửa tự tổ chức thành các dải rõ ràng. Một dải có thể cho thấy các ngọn lửa cao ở nơi các đỉnh áp suất nằm trên các lỗ đó. Dải lân cận cho thấy các ngọn lửa ngắn hơn ở nơi các thung lũng áp suất nằm. Các dải này là bằng chứng trực quan của mẫu sóng dừng bên trong ống.
Nếu bạn quét qua các tần số khác nhau, mẫu ngọn lửa biến đổi liên tục. Ở một số tần số nhất định, bạn đạt đến cộng hưởng. Cộng hưởng xảy ra khi bước sóng của âm thanh phù hợp gọn gàng vào chiều dài ống. Tại điểm cộng hưởng, sự khác biệt áp suất trở nên cực độ và các ngọn lửa đạt đến sự thay đổi chiều cao tối đa. Một số ngọn lửa gần như không nhấp nháy trong khi những ngọn khác vọt lên cao.
Chơi nhạc thay vì một tần số duy nhất tạo ra các mẫu hỗn loạn hơn. Các tần số chồng chéo hòa trộn với nhau và các ngọn lửa phản ứng với các thay đổi áp suất kết hợp theo thời gian thực.
Tại Sao Điều Này Quan Trọng Với Người Học Âm Nhạc
Hiểu sóng dừng giúp bạn nắm bắt các khái niệm quan trọng trong biểu diễn và âm học.
Đầu tiên, cộng hưởng định hình cách nhạc cụ tạo ra âm thanh. Mọi nhạc cụ acoustic đều dựa vào cộng hưởng để khuếch đại một số tần số và triệt tiêu những tần số khác. Biết cách sóng dừng hoạt động cho bạn cái nhìn sâu sắc về lý do kèn trumpet của bạn cộng hưởng theo cách nó làm hoặc tại sao thân violin khuếch đại một số nốt nhạc hơn những nốt khác.
Thứ hai, kiến thức này kết nối vật lý với nhận thức. Khi bạn hiểu điều gì tạo ra độ to và âm sắc ở cấp độ cơ học, bạn có thể đưa ra quyết định tốt hơn về sản xuất âm sắc và âm học phòng.
Thứ ba, nhìn là tin. Ống Ruben's chuyển đổi các biến thể áp suất vô hình thành màn trình diễn lửa có thể nhìn thấy được. Hình ảnh hóa cụ thể đó củng cố khái niệm theo những cách mà các phương trình đơn thuần đôi khi không thể làm được.
Những Điểm Chính
- Một ống Ruben's chứa đầy khí thoát ra qua các lỗ, tạo ra một hàng lửa phản ứng với âm thanh
- Sóng âm tạo ra sóng dừng bên trong ống kín, tạo ra các đỉnh và thung lũng áp suất cố định
- Chiều cao ngọn lửa tại mỗi lỗ phản ánh áp suất cục bộ, làm cho cấu trúc vô hình của âm thanh có thể nhìn thấy được
- Cộng hưởng xảy ra khi tần số âm thanh phù hợp với chiều dài tự nhiên của ống, tạo ra sự thay đổi ngọn lửa tối đa
- Hiểu sóng dừng kết nối trực tiếp với cách nhạc cụ acoustic tạo ra và khuếch đại âm thanh
Hãy Tự Mình Thử
Nếu bạn gặp một màn trình diễn ống Ruben's tại bảo tàng khoa học hoặc trường âm nhạc, hãy chú ý kỹ cách các mẫu ngọn lửa thay đổi khi cao độ thay đổi. Nhận ra khoảnh khắc khi các ngọn lửa đạt đến điệu nhảy hoang dã nhất của chúng. Đó là tần số cộng hưởng của ống. Khi bạn biết phải tìm gì, bạn sẽ bắt đầu nhận ra các mẫu tương tự trong cách nhạc cụ và căn phòng phản ứng với âm thanh.
