HANGSZEREK A »SEMMIBŐL«
Nagy Anett, Radnóti Miklós Kísérleti Gimnázium, Szeged Papp
Katalin, SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék, Szeged Öveges
tanár úr kísérleteivel egyetemista
koromban találkoztam először. Akkor kaptam kedvet az otthoni kísérletezéshez,
és azóta keresem azokat a kísérleteket, amelyekhez csak hétköznapi, mindenki
számára hozzáférhető eszközök kellenek. A következőkben Öveges tanár úr emléke előtt
tisztelegve olyan egyszerű kísérletek leírása található, amelyek segítségével akár
kis koncertet is adhatunk. A végkorrekciós tényező meghatározása egy látszólag
egyszerű mérés, azonban nagyon jól használható komolyabb összefüggések meghatározására,
fizikai és matematikai fogalmak elmélyítésére.
Elméleti háttér
Poharakkal, csövekkel, üvegekkel
zenei előképzettség nélkül is bármelyik osztály adhat szórakoztató koncertet.
Annyit kell mindösszesen tudnunk, hogy a természetes(dúr) hangskála hangjainak
frekvenciái - dótól dó’-ig olyan arányban nőnek, mint a következő számsor: 24,
27, 30, 32, 36, 40, 45, 48. Ez azt jelenti, hogy ha a házi készítésű hangszeren
egy teljes oktávnyi hangot szeretnénk megszólaltatni, akkor a kiinduló (alaphanghoz)
képest az oktávon belüli többi egész hanghoz tartozó f frekvenciákat a
következő törtek segítségével kaphatjuk meg:
A rezgés során létrejövő legerősebb alaprezgés hullámhossza a rezgő levegő vagy vízoszlop hosszával arányos [1]. Mivel egy hullám f frekvenciája és λ hullámhossza egymással fordítottan arányos mennyiségek, az előbbiek alapján egy adott l hosszúsághoz tartozó kezdő hanghoz képest a többi hosszat az előbbi törtek reciprokaként kaphatjuk meg(a törteket egyszerűsítettem):
Házi hangszerek
Zene-csövek
A diákok között legnépszerűbb „hangszer”
a zene-cső (1. ábra). Megszólaltatása
senkinek sem jelenthet gondot, és már elsőre is biztosan sikerül. Vékony
műanyag csöveket megfelelő hosszúságúra vágva egy olyan hangszert kaphatunk,
amellyel zenélhetünk, ha a tenyerünkhöz ütögetjük a cső egyik száját. A csőben
levő levegő ekkor rezgésbe jön és a cső hosszától függően különböző hangokat
hallhatunk. A csövek oldalára érdemes ráírni a csőhöz tartozó adott hangot,
illetve kisebbek számára érdemes színkódot is használni. Így ezzel a
hangszerrel akár egy óvodás csoporttal is zenélhetünk, ha kivetítjük a
színekkel kódolt hangsort és rámutatunk a soron következő színre.
A zenecsöveket 20 mm külső és 16 mm-es belső átmérőjű,
vízvezeték-szereléshez használt műanyag csövekből készítettem, de más csövek is
alkalmasak a „zenélésre”(2. ábra). Ezek
viszonylag olcsón beszerezhetők, általában 2 m-es hosszúságban, amelyből egy
nyolc hangból álló hangsor kivágható. A 20 mm-es műanyag csőből készített
hangsorban a megfelelő hangokhoz tartozó csőhosszakat mutatja az 1. táblázat [2].
Néhány egyszerű dallam a
gyakorláshoz
A Boci-boci tarka előadásához
C-től C’-ig az egész hangokra van szükségünk. A dallam a következő hangokból áll:
C |
E |
C |
E |
G |
G |
C |
E |
C |
E |
G |
G |
C’ |
H |
A |
G |
F |
A |
G |
F |
E |
D |
C |
C |
A Hull a pelyhes fehér hó transzponált
dallama a következő:
C |
C |
G |
G |
A |
A |
G |
F |
F |
E |
E |
D |
D |
C |
C |
C |
G |
G |
A |
A |
G |
F |
F |
E |
E |
D |
D |
C |
G |
G |
F |
F |
E |
E |
D |
G |
G |
F |
F |
E |
E |
D |
C |
C |
G |
G |
A |
A |
G |
F |
F |
E |
E |
D |
D |
C |
A korabeli történetírók
szerint az üvegharmonikán rendszeresen játszó zenészek egy része arról számolt be,
hogy érzelmileg lehangolja őket a hangszer. Úgy gondolták, hogy a hangszerben
keltett rezgések az ujjaikon keresztül bejutnak a szervezetükbe és rosszkedvet gerjesztenek.
A vizsgálatok inkább ólommérgezéssel magyarázták a zenészek lehangoltságát. A hangszer
üveg félgömbjei ólmot is tartalmaztak, így elképzelhető, hogy a hangszerből
jutott nagyobb mennyiségű ólom a szervezetükbe. Mivel azonban a 18. században
igen elterjedt volt az ólom használata, így az ólom számos más forrásból is
bejuthatott a zenészek testébe [4].
Az üvegharmonika azóta is meg-megjelenik
a koncerttermekben, ebben az évben is jó néhány hazai koncerten találkozhattak
a hangszer különleges hangjával az érdeklődők.
Hagyományos 1 literes befőttes
üvegeknél a következő h magasságokig érdemes tölteni az üvegeket vízzel.
Sajnos nagyon különböző befőttesüvegeket találhatunk a boltokban - így érdemes
inkább saját üvegeinket hallás útján behangolni -, ezért a természetes skála
hangjaihoz rendelhető vízoszlop-magasságok inkább közelítő értékek:
hang |
dó |
Ré |
mi |
fá |
szó |
lá |
ti |
dó’ |
h(cm) |
10 |
8,9 |
8 |
7,5 |
6,7 |
6 |
5,3 |
5 |
Hangsor üvegekből
Érdemes felhívni a diákok
figyelmét arra, hogy míg a poharas kísérletben a magasabb vízoszlop mélyebb hangot
eredményezett, addig ebben a kísérletben annak a palacknak lesz mélyebb a
hangja, amelyben alacsonyabb a víz szintje. Ennek a látszólagos ellentmondásnak
az a magyarázata, hogy a poharak és a befőttes üvegek esetében az üveg fala a
vízoszlopot hozza rezgésbe, amikor átfújunk az üveg szája felett, akkor
közvetlenül az üvegben található levegőoszlop jön rezgésbe. Minél nagyobb a
levegőoszlop magassága - vagyis minél kevesebb víz van az üvegben -, annál
mélyebb lesz a megszólaltatott hang.
hangok |
dó |
ré |
mi |
fá |
szó |
lá |
ti |
dó’ |
h(cm) |
30 |
26,7 |
24 |
22,5 |
20 |
18 |
16 |
15 |
Papírhenger-xilofon
hangok |
dó |
ré |
mi |
fá |
szó |
lá |
ti |
dó’ |
h(cm) |
30 |
26,7 |
24 |
22,5 |
20 |
18 |
16 |
15 |
Egy kísérleti feladat
üvegcsövekkel
A hang terjedési
sebességének és a végkorrekciónak mérése üvegcsövek segítségével
Ez a kísérlet nagyon
egyszerűen elvégezhető egy üvegedény, különböző átmérőjű üveg- és műanyag
csövek segítségével. Az üvegcsövet egyik kezünkkel tartva helyezzük az
üvegedénybe. A cső felső szájához helyezzünk egy rezgő hangvillát és az üvegcső
mozgatásával keressük meg a rezonancia helyét (9. ábra). A rezonáló levegőoszlop, vagyis a vízből kiemelkedő csőhossz
mérésével a hang terjedési sebessége számolható.
Az elméleti esetben - amikor a
csőhossz(2k+1)λ/4 alakú - a rezonátorcső hosszának megmérésével a hang
terjedési sebessége könnyen meghatározható:
Ha l helyett(az
állóhullámkép hossza a duzzadóhelytől csomópontig)
kisebb értékkel számolunk(a rezonátorcső hosszával) a sebességre a
ténylegesnél kisebb értéket kapunk. A 2. táblázat a különböző átmérőjű csövekkel végzett méréseink
eredményeit tartalmazza.
A 2. táblázat adataiból
jól látható, hogy egy adott átmérőjű üvegcső esetén a frekvencia növelésével a rezonáló
levegőoszlop hossza, így a hullámhossz csökken, mivel a frekvencia és a
hullámhossz között fordított arányosság van, ha a terjedési sebesség állandó. Mivel
a kísérlet közben a hőmérséklet közel állandónak tekinthető, és a levegő
összetételét sem változtattuk meg, a terjedési sebességet állandónak tételezhetjük
fel. Ha az adott átmérőjű csőnél a különböző frekvenciák esetén kapott levegő-oszlophosszakból
terjedési sebességet számolunk, a kapott sebességértékek a valóságosnál
kisebbnek adódnak. Ezt az eltérést nagyobb átmérőjű csöveknél nagyobbnak találtuk.
A
3. táblázatban a különböző átmérőjű
üvegcsövekkel végzett kísérleteink eredményeit foglaltuk össze. Ha a csőhosszakat
a frekvenciaértékek reciprokainak függvényében ábrázoljuk, olyan lineáris függvényeket
kapunk, melyek nem az origóban metszik a függőleges tengelyt, hanem attól -b
méterre. A legkisebb és a legnagyobb átmérőjű csövekkel végzett
kísérletekhez tartozó grafikonok a
10. és 11. ábrán láthatók.
3. táblázat
3. táblázat Különböző d átmérőjű üvegcsövek esetén kapott
egyenesek meredekségéből
számolt
c terjedési sebességek
és b/d korrekciós tényezők
d(m)
c(m/s)
b/d
0,016
348,872
0,387
0,022
348,008
0,377
0,024
344,960
0,367
0,027
344,104
0,359
0,034
344,864
0,356
0,037
343,800
0,346
0,042
343,568
0,345
0,059
342,296
0,309
Van
azonban más lehetőség is a korrekciós tényező meghatározására. Ha a rezonáló
levegőoszlop hosszát egy adott frekvencián a csövek belső átmérőinek függvényében
ábrázoljuk, akkor egy olyan süllyedő egyenest kapunk, amelynek meredeksége a
korrekciós tényező értékével egyezik meg, és az adott frekvenciához tartozó,
elméletileg megállapított effektív hossznál metszi a tengelyt. Mivel leff
= l+xd, ezért:
A
különböző frekvenciákon mért rezonanciahosszakat a belső átmérő függvényében ábrázoltuk, a grafikonok
a meredekségeit(a korrekciós tényezők -1-szeresét) és a
tengelymetszetekből számolt terjedési sebességeket a 4. táblázatban gyűjtöttük össze. Az eredmények nagyon jól megközelítik
azokat az értékeket, amelyeket az adott belső átmérők esetében a
rezonanciahossznak a frekvencia reciprokától való függésének vizsgálatakor
kaptunk (2. táblázat ).
A
rezonanciahelyet átlépve a rezonátor fázisa π-t ugrik, így ha a kilépő hullám
korábban erősítést adott a belépővel, akkor a váltás után nem meglepő a
gyengítés. Mindez azt is jelenti, hogy a kívül észlelt intenzitásmaximum nem
szükségképpen esik egybe a belül tapasztalt amplitúdómaximummal, ez a maximum
és a minimum hely közé esik. Ezek alapján rezonanciahelyzeten azt értjük,
amikor az amplitúdó a csövön belül a legnagyobb, vagyis amikor a cső szájánál
kifelé haladó hullám visszaverődés után pontosan azonos fázisban találkozik a
cső szájánál éppen belépő külső hullámmal. Az előbbiek alapján ez a helyzet a
csövön kívül intenzitásészlelés alapján pontosan meg sem kereshető, de az
egymáshoz közel eső minimum- és maximumhelyek együttes figyelembevételével
kisebb hibával határozható meg, mint csupán a maximumok megfigyelésével.
A hang
terjedési sebességét, így a rezonáló levegőoszlop hosszát befolyásolja a levegő
hőmérséklete. Kísérletileg ezt a jelenséget is vizsgálhatjuk az előbbi egyszerű
kísérleti elrendezéssel. Tegyünk egy vízen úszó gyertyát a víz felszínére, és
az üvegcsövet helyezzük úgy a vízbe, hogy a gyertya a csövön belül legyen. Ha egy
hangvillával megkeressük a rezonancia helyét, akkor - leolvasva a rezonáló cső
hosszát - megkaphatjuk a hang terjedési sebességét a megemelkedett hőmérsékleten.
A kísérletet 440 Hz-es hangvillával és 4 cm-es belső átmérőjű csővel elvégezve
a rezonáló levegőoszlop hosszára 18,9 cm helyett 19,6 cm-t kaptunk, amiből
terjedési sebességre korrekció nélkül 345 m/s-ot, korrekcióval 350 m/s-ot
kapunk.
A
kísérlet arra is jól használható, hogy egyszerű eszközökkel demonstráljuk: a
hang terjedési sebessége különböző gázokban különböző. Ha egy pezsgőtablettát dobunk
a vízzel teli tárolóedénybe, és biztosítjuk, hogy a pezsgőtabletta mindvégig a
vízben úszva a csőben maradjon, akkor a felette levő levegőoszlopban széndioxid
molekulák is lesznek. Ezáltal megváltozik a hang terjedési sebessége. Ezt a
kísérletet 3 cm-es belső átmérőjű üvegcsővel és 440 Hz frekvenciájú
hangvillával végeztük el. Egy metronóm hangjára figyelve a pezsgőtabletta vízbe
dobásától kezdődően 10 másodpercenként megmértük a rezonáló levegőoszlop
hosszát.
Ha a
rezonáló gázoszlop hosszát, illetve az ebből számolt terjedési sebességet az
eltelt idő függvényében ábrázoljuk (13. és
14. ábra),
látható, hogy a pezsgőtabletta oldódásával a
rezonanciahossz megváltozik.
A 13.
ábrán jól látszik, hogy a pezsgőtabletta oldódása során egyre csökkent a
rezonáló gázoszlop hossza, amely a bedobástól számítva a 80. másodperc körül
volt a legkisebb. Ekkor lehetett a szén-dioxid mennyisége a legnagyobb a csőben
található levegőoszlopban. Ezután a gázoszlop hossza ismét nőtt, míg a 7. perc
végére az eredeti rezonanciahosszat mértük. A kapott terjedési sebességek
legkisebb értéke 294 m/s, ami a szén-dioxid megnövekedett mennyiségének hatásával
magyarázható (14. ábra). Ezzel az egyszerű kísérlettel tehát jól
demonstrálható, hogy a hang terjedési sebessége függ annak a közegnek az
összetételétől, amelyben terjed.
Összefoglalás
Kísérletezni
mindig élmény, tanárnak, diáknak egyaránt. A hétköznapi eszközök nagy előnye,
hogy a kísérleteket otthon is megismételhetjük, továbbfejleszthetjük.
Az előbbi
kísérletek további nagy előnye, hogy miközben a fizikával foglalkozunk,
csapatot is építünk és jól is szórakozunk. Ezért mindenkinek jó szívvel ajánlom,
hogy próbálják ki ezeket a hangszereket a „semmiből”.