Краевой тон — это звук, возникающий, когда плоская струя воздуха ударяется о край или клин. Краевой тон, вероятно, чаще всего рассматривается как средство возбуждения для флейтовых инструментов. Это такие инструменты, как блокфлейта, пикколо, флейта и орган. Например, в магнитофоне воздух выдувается ртом через мундштук в плоскую струю, а затем на клин. Создаваемые силы взаимодействуют с корпусом трубки записывающего устройства, и генерируется тон в зависимости от размера трубки.

Мундштук записывающего устройства

Разработанная мной модель граничного тона рассматривается изолированно, а не в сочетании с резонатором, как в примере с музыкальными инструментами. При исследовании краевого тона мне казалось очевидным, что этому тону не уделялось такого же внимания, как эоловому тону, который я смоделировал ранее, но объем исследований и данных был доступен, чтобы помочь понять и развить эту модель.

Вот ссылка на модель эоловых тонов на Nemisindo:

https://nemisindo.com/models/aeolian-tones.html

Как работает краевой тон?

Наиболее важным процессом в создании краевого тона является создание контура обратной связи от выхода сопла до клина. Это похоже на процесс, который генерирует тон резонатора, который я обсуждал здесь . Диаграмма ниже поможет с объяснением.

Иллюстрация попадания струи воздуха в клин

Воздух выходит из сопла и направляется к клину. Струя воздуха, естественно, имеет некоторые нестабильности, которые усиливаются по мере того, как струя движется и достигает клина. В клине вихри сбрасываются на противоположные стороны клина, и генерируется колеблющийся импульс давления. Импульс давления возвращается к соплу и усиливает нестабильность. На правильной частоте (длине волны) создается петля обратной связи, и можно услышать сильный дискретный тон.

Для усложнения краевого тона, если скорость воздуха варьируется или расстояние между срезом сопла и клином варьируется, существуют разные режимы. Значения, при которых изменяются режимы, также имеют гистерезис — смена режимов вверх и вниз не происходит при одной и той же скорости полета или расстоянии.

Создание модели синтеза

Существует ряд уравнений, определенных исследователями в области гидродинамики, каждое из которых уникально, но зависит от целочисленного номера моды. Нигде в своих поисках я не нашел метода предсказания номера моды. В отличие от предыдущих подходов к моделированию, я решил сопоставить все результаты, которые у меня были, где был указан номер моды, как измерения в аэродинамической трубе, так и вычислительное моделирование. Затем они были введены в рабочую среду машинного обучения Weka , и было разработано дерево решений. Затем это было реализовано для прогнозирования номера режима.

Все уравнения прогнозирования имели значительную ошибку по сравнению с измеренными и смоделированными результатами, поэтому снова результаты использовались для создания нового уравнения для прогнозирования частоты для каждой моды.

С предсказанной модой и последующей предсказанной частотой фактический синтез звука был сгенерирован путем формирования шума с источником белого шума и полосовым фильтром. Значение Q для фильтра было неизвестно, но, как и в случае с резонирующим тоном, известно, что чем более турбулентный поток, тем меньше и диффузнее вихри и тем шире полоса частот вокруг прогнозируемого краевого тона. Значение Q для полосы пропускания было установлено пропорциональным этому.

И что дальше?..

В отличие от эолового тона, где мне удалось создать ряд звуковых эффектов, граничный тон еще не был реализован в более широкой модели. Это связано со временем, а не с чем-то еще. Одной из областей дальнейшего развития, которая могла бы представлять большой интерес, было бы соединение модели краевого тона с резонатором для имитации музыкального инструмента. Некоторые предыдущие модели синтеза используют источник белого шума и возбуждение или сигнал, основанный на разнице между реальным образцом и моделью резонатора.

Как только в резонаторе устанавливается стоячая волна, краевой тон фиксируется на этой частоте, а не на частоте, предсказанной уравнением. Таким образом, предсказанный граничный тон может присутствовать только тогда, когда музыкальная нота находится в переходном состоянии, но известно, что это оказывает сильное влияние на тембр и может иметь интересные результаты.

Для анализа свистков и того, как их дизайн влияет на их звук, ознакомьтесь с его статьей . Механизм обратной связи, описанный для краевого тона, также очень похож на тот, который генерирует дырочный тон. Это дискретный тон, который генерируется кипящим чайником. Обычно это круглая струя, попадающая в пластину с круглым отверстием и установленной петлей обратной связи.

Отверстие в форме чайника

Очень похожий звук может издавать аппарат с вертикальным взлетом и посадкой, когда струи подъемных вентиляторов направлены вниз на землю или палубу. Это обе области для будущего развития и области, в которых могут быть созданы интересные звуковые эффекты.

Вертикальный взлет реактивного самолета Harrier