In der Physik ist Klangfülle die Tendenz eines Systems, an einem größeren Umfang an einigen Frequenzen zu schwingen, als an anderen. Diese sind als die Klangfülle-Frequenzen des Systems (oder, falsch, Resonanzfrequenzen) bekannt. An diesen Frequenzen können sogar kleine periodische treibende Kräfte große Umfang-Schwingungen erzeugen, weil das System Schwingenergie versorgt.

Klangfülle kommt vor, wenn ein System im Stande ist, Energie zwischen zwei oder mehr verschiedenen Lagerungsweisen (wie kinetische Energie und potenzielle Energie im Fall von einem Pendel) zu versorgen und leicht zu übertragen. Jedoch gibt es einige Verluste vom Zyklus bis Zyklus, genannt Dämpfung. Wenn Dämpfung klein ist, ist die Klangfülle-Frequenz der natürlichen Frequenz des Systems ungefähr gleich, das eine Frequenz von ungezwungenen Vibrationen ist. Einige Systeme haben vielfach, verschieden, Klangfülle-Frequenzen.

Klangfülle-Phänomene kommen mit allen Typen von Vibrationen oder Wellen vor: Es gibt mechanische Klangfülle, akustische Klangfülle, elektromagnetische Klangfülle, Kernkernspinresonanz (NMR), Elektrondrehungsklangfülle (ESR) und Klangfülle von Quant-Welle-Funktionen. Widerhallende Systeme können verwendet werden, um Vibrationen an einer spezifischen Frequenz (z.B Musikinstrumente) zu erzeugen, oder spezifische Frequenzen von einem komplizierten Vibrieren auszuwählen, das viele Frequenzen (z.B Filter) enthält.

Klangfülle wurde von Galileo Galilei mit seinen Untersuchungen von Pendeln und Musikschnuren anerkannt, die 1602 beginnen.

Beispiele

Ein vertrautes Beispiel ist ein Spielplatz-Schwingen, das als ein Pendel handelt. Das Stoßen einer Person in einem Schwingen rechtzeitig mit dem natürlichen Zwischenraum des Schwingens (seine Klangfülle-Frequenz) wird das Schwingen höher und höher gehen lassen (maximaler Umfang), während Versuche, das Schwingen an einem schnelleren oder langsameren Tempo zu stoßen, auf kleinere Kreisbogen hinauslaufen werden. Das ist, weil die Energie, die das Schwingen absorbiert, maximiert wird, wenn die Stöße 'in der Phase' mit den Schwingungen des Schwingens sind, während etwas von der Energie des Schwingens wirklich durch die gegenüberliegende Kraft der Stöße herausgezogen wird, wenn sie nicht sind.

Klangfülle kommt weit in der Natur vor, und wird in vielen künstlichen Geräten ausgenutzt. Es ist der Mechanismus, durch den eigentlich alle sinusförmigen Wellen und Vibrationen erzeugt werden. Viele Töne, die wir, solcher als hören, wenn harte Gegenstände von Metall, wird Glas oder Holz geschlagen, werden durch kurze widerhallende Vibrationen im Gegenstand verursacht. Licht und andere kurze Wellenlänge elektromagnetische Radiation werden durch die Klangfülle auf einer Atomskala wie Elektronen in Atomen erzeugt. Andere Beispiele sind:

Mechanische und akustische Klangfülle

• die timekeeping Mechanismen aller modernen Uhren und Bewachungen: Das Gleichgewicht-Rad in einer mechanischen Bewachung und der Quarzkristall in einem Quarz beobachten
• die Gezeitenklangfülle der Bucht von Fundy
• akustische Klangfülle von Musikinstrumenten und menschlichen Stimmbändern
• das vernichtende von einem Kristallweinglas, wenn ausgestellt, zu einem Musikton des richtigen Wurfs (seine Klangfülle-Frequenz)

Elektrische Klangfülle

• die elektrische Klangfülle von abgestimmten Stromkreisen in Radios und Fernsehen, die individuellen Stationen erlauben, aufgenommen zu werden

Optische Klangfülle

• Entwicklung des zusammenhängenden Lichtes durch die optische Klangfülle in einer Laserhöhle

Augenhöhlenklangfülle in der Astronomie

• Augenhöhlenklangfülle, wie veranschaulicht, durch einige Monde der Gasriesen des Sonnensystems

Atomar, Partikel und molekulare Klangfülle

• die materielle Klangfülle in der Atomskala ist die Basis von mehreren spektroskopischen Techniken, die in der kondensierten Sache-Physik verwendet werden.
• Kernkernspinresonanz
• Wirkung von Mössbauer
• Elektrondrehungsklangfülle.

Theorie

Die genaue Antwort einer Klangfülle, besonders für von der Klangfülle-Frequenz weite Frequenzen, hängt von den Details des physischen Systems ab, und ist gewöhnlich über die Klangfülle-Frequenz, wie illustriert, für den einfachen harmonischen Oszillator oben nicht genau symmetrisch.

Für einen leicht gedämpften geradlinigen Oszillator mit einer Klangfülle-Frequenz Ω die Intensität von Schwingungen I, wenn das System mit einer Fahrfrequenz gesteuert wird, wird ω normalerweise durch eine Formel näher gekommen, die über die Klangfülle-Frequenz symmetrisch ist:

Die Intensität wird als das Quadrat des Umfangs der Schwingungen definiert. Das ist eine Funktion von Lorentzian, und diese Antwort wird in vielen physischen Situationen gefunden, die widerhallende Systeme einschließen. Γ ist ein Parameter-Abhängiger auf der Dämpfung des Oszillators, und ist als der linewidth der Klangfülle bekannt. Schwer befeuchtete Oszillatoren neigen dazu, breiten linewidths zu haben, und auf eine breitere Reihe des Fahrens von Frequenzen um die Klangfülle-Frequenz zu antworten. Der linewidth ist zum Q Faktor umgekehrt proportional, der ein Maß der Schärfe der Klangfülle ist.

In der Elektrotechnik ist diese ungefähre symmetrische Antwort als die universale Klangfülle-Kurve, ein Konzept bekannt, das von Frederick E. Terman 1932 eingeführt ist, um die Näherungsberechnung von Radiostromkreisen mit einer Reihe von Zentrum-Frequenzen und Q-Werten zu vereinfachen.

Resonatore

Ein physisches System kann so viele Klangfülle-Frequenzen haben, wie es Grade der Freiheit hat; jeder Grad der Freiheit kann als ein harmonischer Oszillator vibrieren. Systeme mit einem Grad der Freiheit, wie eine Masse auf einem Frühling, Pendeln, Gleichgewicht-Rädern und LC haben gestimmt Stromkreise haben eine Klangfülle-Frequenz. Systeme mit zwei Graden der Freiheit, wie verbundene Pendel und widerhallende Transformatoren können zwei Klangfülle-Frequenzen haben. Als die Zahl von verbundenen harmonischen Oszillatoren wächst, wird die Zeit, die sie bringt, um Energie von einem bis das folgende zu übertragen, bedeutend. Die Vibrationen in ihnen beginnen, durch die verbundenen harmonischen Oszillatoren in Wellen von einem Oszillator bis das folgende zu reisen.

Verlängerte Gegenstände, die Klangfülle wegen Vibrationen in ihnen erfahren, werden Resonatore wie Orgelpfeifen genannt, Schnuren, Quarzkristalle, Mikrowellenhöhlen und Laserstangen vibrieren lassend. Da diese als angesehen werden können, aus Millionen von verbundenen bewegenden Teilen gemacht werden (wie Atome), können sie Millionen von Klangfülle-Frequenzen haben. Die Vibrationen in ihnen reisen als Wellen an einer ungefähr unveränderlichen Geschwindigkeit, hin und her zwischen den Seiten des Resonators springend. Wenn die Entfernung zwischen den Seiten ist, ist die Länge einer Hin- und Rückfahrt. Um Klangfülle, die Phase einer sinusförmigen Welle zu verursachen, nachdem eine Hin- und Rückfahrt der anfänglichen Phase gleich sein muss, so werden die Wellen verstärken. So besteht die Bedingung für die Klangfülle in einem Resonator dass die Entfernung der Hin- und Rückfahrt darin, einer Zahl der ganzen Zahl von Wellenlängen der Welle gleich sein:

Wenn die Geschwindigkeit einer Welle ist, ist die Frequenz so die Klangfülle-Frequenzen sind:

So sind die Klangfülle-Frequenzen von Resonatoren, genannt normale Weisen, Vielfachen ebenso unter Drogeneinfluss einer niedrigsten Frequenz genannt die grundsätzliche Frequenz. Die Vielfachen werden häufig Obertöne genannt. Es kann solche mehrere Reihe von Klangfülle-Frequenzen entsprechend verschiedenen Weisen des Vibrierens geben.

Q Faktor

Der Qualitätsfaktor oder Q Faktor sind ein ohne Dimension Parameter, der beschreibt, wie mit geringer Dämpfung ein Oszillator oder Resonator, oder gleichwertig sind, eine Bandbreite eines Resonators hinsichtlich seiner Zentrum-Frequenz charakterisieren.

Höher zeigt Q eine niedrigere Rate des Energieverlustes hinsichtlich der versorgten Energie des Oszillators an, d. h. die Schwingungen sterben langsamer aus. Ein Pendel, das von einem Qualitätslager aufgehoben ist, in Luft schwingend, hat einen hohen Q, während ein in Öl versenktes Pendel einen niedrigen Q hat. Um ein System in der Klangfülle im unveränderlichen Umfang zu stützen, indem er Macht äußerlich zur Verfügung stellt, ist die Energie, die innerhalb jedes Zyklus zur Verfügung gestellt werden muss, weniger als die Energie, die im System (d. h. die Summe des potenziellen und kinetischen) durch einen Faktor dessen versorgt ist. Oszillatoren mit hohen Qualitätsfaktoren haben niedrig Dämpfung, die dazu neigt, sie länger klingeln zu lassen.

Sinusförmig gesteuerte Resonatore, die höher Q Faktoren haben, schwingen mit größeren Umfängen (an der Klangfülle-Frequenz) mit, aber haben eine kleinere Reihe von Frequenzen um die Frequenz, an der sie mitschwingen. Die Reihe von Frequenzen, an denen der Oszillator mitschwingt, wird die Bandbreite genannt. So hat ein hoher Q gestimmt der Stromkreis in einem Radioempfänger würde schwieriger sein zu stimmen, aber würde größere Selektivität haben, es würde einen besseren Job tun, Signale von anderen Stationen herauszufiltern, die in der Nähe auf dem Spektrum liegen. Hohe Q Oszillatoren funktionieren über eine kleinere Reihe von Frequenzen und sind stabiler. (Sieh Oszillator-Phase-Geräusch.)

Der Qualitätsfaktor von Oszillatoren ändert sich wesentlich vom System bis System. Systeme, für die Dämpfung wichtig ist (wie Dämpfer, die eine Tür davon abhalten, geschlossen zuzuschlagen), haben Q = ½. Uhren, Laser und andere Systeme, die entweder starke Klangfülle oder hohe Frequenzstabilität brauchen, brauchen hohe Qualitätsfaktoren. Stimmgabeln haben Qualitätsfaktoren um Q = 1000. Der Qualitätsfaktor von Atomuhren und einigen hohen-Q Lasern kann nicht weniger als 10 und höher reichen.

Es gibt viele abwechselnde Mengen, die von Physikern und Ingenieuren verwendet sind, um zu beschreiben, wie gedämpft ein Oszillator ist, ist das nah mit seinem Qualitätsfaktor verbunden. Wichtige Beispiele schließen ein: Das Dämpfungsverhältnis, die Verhältnisbandbreite, linewidth und die Bandbreite haben in Oktaven gemessen.

Typen der Klangfülle

Mechanische und akustische Klangfülle

Mechanische Klangfülle ist die Tendenz eines mechanischen Systems, mehr Energie zu absorbieren, wenn die Frequenz seiner Schwingungen die natürliche Frequenz des Systems des Vibrierens vergleicht, als es an anderen Frequenzen tut. Es kann gewaltsame schwankende Bewegungen und sogar katastrophalen Misserfolg in unpassend gebauten Strukturen einschließlich Brücken, Gebäude, Züge und Flugzeuges verursachen. Wenn sie Gegenstände entwerfen, müssen Ingenieure sicherstellen, dass die mechanischen Klangfülle-Frequenzen der Teilteile fahrende Schwingfrequenzen von Motoren oder anderen schwingenden Teilen, ein als Klangfülle-Katastrophe bekanntes Phänomen nicht vergleichen.

Das Vermeiden von Klangfülle-Katastrophen ist eine Hauptsorge in jedem Gebäude, Turm und Brücke-Bauprojekt. Als eine Gegenmaßnahme können Stoß-Gestelle installiert werden, um Klangfülle-Frequenzen zu absorbieren und so die absorbierte Energie zu zerstreuen. Der Taipei 101 Gebäude verlässt sich auf — ein abgestimmter Massendämpfer — um Klangfülle zu annullieren. Außerdem wird die Struktur entworfen, um an einer Frequenz mitzuschwingen, die nicht normalerweise vorkommt. Gebäude in seismischen Zonen werden häufig gebaut, um die schwingenden Frequenzen der erwarteten Boden-Bewegung in Betracht zu ziehen. Außerdem müssen Ingenieure, die Gegenstände entwerfen, die Motoren haben, sicherstellen, dass die mechanischen Klangfülle-Frequenzen der Teilteile fahrende Schwingfrequenzen der Motoren oder anderen stark schwingenden Teile nicht vergleichen.

Viele Uhren behalten Zeit durch die mechanische Klangfülle in einem Gleichgewicht-Rad, Pendel oder Quarzkristall

Akustische Klangfülle ist ein Zweig der mechanischen Klangfülle, die mit den mechanischen Vibrationen über die Frequenzreihe des menschlichen Hörens beschäftigt ist, klingen Sie mit anderen Worten. Für Menschen wird das Hören normalerweise auf Frequenzen zwischen ungefähr 20 Hz und 20,000 Hz (20 Kilohertz), beschränkt

Akustische Klangfülle ist eine wichtige Rücksicht für Instrument-Baumeister, so verwenden die meisten akustischen Instrumente Resonatore wie die Schnuren und der Körper einer Geige, die Länge der Tube in einer Flöte und die Gestalt, und Spannung auf, eine Trommel-Membran.

Wie mechanische Klangfülle kann akustische Klangfülle auf katastrophalen Misserfolg des Gegenstands an der Klangfülle hinauslaufen. Das klassische Beispiel davon bricht ein Wein-Glas mit dem Ton an der genauen Klangfülle-Frequenz des Glases, obwohl das in der Praxis schwierig ist.

Elektrische Klangfülle

Elektrische Klangfülle kommt in einem elektrischen Stromkreis an einer besonderen Klangfülle-Frequenz vor, wenn der Scheinwiderstand des Stromkreises an einem Minimum in einem Reihe-Stromkreis oder am Maximum in einem parallelen Stromkreis ist (oder wenn die Übertragungsfunktion an einem Maximum ist).

Optische Klangfülle

Eine optische Höhle oder optischer Resonator sind eine Einordnung von Spiegeln, die einen Höhle-Resonator der stehenden Welle für leichte Wellen bildet. Optische Höhlen sind ein Hauptbestandteil von Lasern, das Gewinn-Medium umgebend und Feed-Back des Laserlichtes zur Verfügung stellend. Sie werden auch in optischen parametrischen Oszillatoren und einem interferometers verwendet. In der Höhle beschränktes Licht widerspiegelt mehrmals erzeugende stehende Wellen für bestimmte Klangfülle-Frequenzen. Die erzeugten Muster der stehenden Welle werden Weisen genannt. Längsweisen unterscheiden sich nur in der Frequenz, während sich Querweisen für verschiedene Frequenzen unterscheiden und verschiedene Intensitätsmuster über die böse Abteilung des Balkens haben. Ringresonatore und Flüstergewölbe sind Beispiele von optischen Resonatoren, die stehende Wellen nicht bilden.

Verschiedene Resonator-Typen sind durch die im Brennpunkt stehenden Längen der zwei Spiegel und der Entfernung zwischen ihnen bemerkenswert. (Flache Spiegel werden wegen der Schwierigkeit nicht häufig verwendet, sie genau auszurichten.) Muss die Geometrie (Resonator-Typ) so gewählt werden der Balken bleibt stabil, d. h. die Balken-Größe setzt nicht fort, mit jedem Nachdenken zu wachsen. Resonator-Typen werden auch entworfen, um anderen Kriterien wie minimale Balken-Taille zu entsprechen oder keinen Brennpunkt (und deshalb intensives Licht an diesem Punkt) innerhalb der Höhle habend.

Optische Höhlen werden entworfen, um einen sehr großen Q Faktor zu haben; ein Balken wird eine sehr hohe Zahl von Zeiten mit wenig Verdünnung widerspiegeln. Deshalb ist die Frequenzlinienbreite des Balkens im Vergleich zur Frequenz des Lasers sehr klein.

Zusätzliche optische Klangfülle ist Klangfülle der geführten Weise und Oberfläche plasmon Klangfülle, die auf anomalus Nachdenken und hohe flüchtige Felder an der Klangfülle hinauslaufen. In diesem Fall sind die widerhallenden Weisen geführte Weisen eines Wellenleiters oder Oberfläche plasmon Weisen einer dielektrisch-metallischen Schnittstelle. Diese Weisen sind gewöhnlich durch eine Subwellenlänge-Vergitterung aufgeregt.

Augenhöhlenklangfülle

In der himmlischen Mechanik kommt eine Augenhöhlenklangfülle vor, wenn zwei umkreisende Körper einen regelmäßigen, periodischen Gravitationseinfluss auf einander gewöhnlich wegen ihrer Augenhöhlenperioden nehmen, durch ein Verhältnis von zwei kleinen ganzen Zahlen verbunden seiend. Augenhöhlenklangfülle erhöht außerordentlich den gegenseitigen Gravitationseinfluss der Körper. In den meisten Fällen läuft das auf eine nicht stabile Wechselwirkung hinaus, in der die Körper Schwung und Verschiebungsbahnen austauschen, bis die Klangfülle nicht mehr besteht. Unter einigen Verhältnissen kann ein widerhallendes System stabil sein und selbst das Korrigieren, so dass die Körper in der Klangfülle bleiben. Beispiele sind 1:2:4 Klangfülle von Monden von Jupiter Ganymede, Europa und Io, und 2:3 Klangfülle zwischen Pluto und Neptun. Die nicht stabile Klangfülle mit den inneren Monden des Saturns verursacht Lücken in den Ringen des Saturns. Der spezielle Fall 1:1 Klangfülle (zwischen Körpern mit ähnlichen Augenhöhlenradien) veranlasst große Sonnensystemkörper, die Nachbarschaft um ihre Bahnen durch das Ausstoßen von fast etwas anderem um sie zu klären; diese Wirkung wird in der aktuellen Definition eines Planeten verwendet.

Atomar, Partikel und molekulare Klangfülle

Kernkernspinresonanz (NMR) ist der Name, der einem physischen Klangfülle-Phänomen gegeben ist, das die Beobachtung des spezifischen Quants mechanische magnetische Eigenschaften eines Atomkerns in Gegenwart von einem angewandten, äußerlichen magnetischen Feld einschließt. Viele wissenschaftliche Techniken nutzen NMR Phänomene aus, um molekulare Physik, Kristalle und nichtkristallene Materialien durch die NMR Spektroskopie zu studieren. NMR wird auch in fortgeschrittenen medizinischen Bildaufbereitungstechniken, solcher als in der Kernspinresonanz-Bildaufbereitung (MRI) alltäglich verwendet.

Alle Kerne, die ungerade Zahlen von Nukleonen enthalten, haben einen inneren magnetischen Moment und winkeligen Schwung. Ein Hauptmerkmal von NMR ist, dass die Klangfülle-Frequenz einer besonderen Substanz zur Kraft des angewandten magnetischen Feldes direkt proportional ist. Es ist diese Eigenschaft, die in der Bildaufbereitung von Techniken ausgenutzt wird; wenn eine Probe in ein ungleichförmiges magnetisches Feld dann gelegt wird, hängen die Klangfülle-Frequenzen der Kerne der Probe ab, wo im Feld sie gelegen werden. Deshalb kann die Partikel ganz genau durch seine Klangfülle-Frequenz gelegen werden.

Elektronparakernspinresonanz, sonst bekannt als Electron Spin Resonance (ESR) ist eine spektroskopische Technik, die NMR ähnlich ist, aber verwendet allein stehende Elektronen stattdessen. Materialien, für die das angewandt werden kann, werden viel mehr beschränkt, da das Material beide eine allein stehende Drehung haben und paramagnetisch sein muss.

Die Mössbauer Wirkung ist die widerhallende und Emission ohne Rückstoß und Absorption von Gammastrahl-Fotonen durch in einer festen Form gebundene Atome.

Klangfülle (Partikel-Physik): In der Quant-Mechanik und Quant-Feldtheorie kann Klangfülle in ähnlichen Verhältnissen zur klassischen Physik erscheinen. Jedoch kann von ihnen auch als nicht stabile Partikeln mit der Formel über dem gültigen gedacht werden, wenn der Zerfall-Rate zu sein, und durch die MassenM der Partikel ersetzt hat. In diesem Fall kommt die Formel aus dem Verbreiter der Partikel mit seiner durch die komplexe Zahl ersetzten Masse. Die Formel ist weiter mit der Zerfall-Rate der Partikel durch den optischen Lehrsatz verbunden.

Misserfolg der ursprünglichen Tacoma Narrows Bridge

Die drastisch sichtbare, rhythmische Drehung, die auf den 1940-Zusammenbruch "Galoppierender Gertie hinausgelaufen ist," die ursprüngliche Tacoma Narrows Bridge, ist manchmal in Physik-Lehrbüchern als ein klassisches Beispiel der Klangfülle charakterisiert worden. Jedoch ist diese Beschreibung irreführend. Die katastrophalen Vibrationen, die die Brücke zerstört haben, waren nicht wegen der einfachen mechanischen Klangfülle, aber zu einer mehr komplizierten Wechselwirkung zwischen der Brücke und den Winden, die sie — ein Phänomen bekannt als aeroelastic Flattern durchführen. Robert H. Scanlan, Vater der Brücke-Aerodynamik, hat einen Artikel über dieses Missverständnis geschrieben.

Klangfülle, die ein Vibrieren auf der Internationalen Raumstation verursacht

Die Raketentriebwerke für die Internationale Raumstation werden von der automatischen Kurssteuerung kontrolliert. Normalerweise werden die geladenen Rahmen, für das Motorregelsystem für das Modul von Zvezda zu kontrollieren, die Raketentriebwerke veranlassen, die Internationale Raumstation zu einer höheren Bahn zu erhöhen. Die Raketentriebwerke werden Scharnier-bestiegen, und normalerweise wird die Operation von der Mannschaft nicht bemerkt. Aber am 14. Januar 2009 haben die geladenen Rahmen die automatische Kurssteuerung veranlasst, die Raketentriebwerke in größeren und größeren Schwingungen an einer Frequenz von 0.5 Hz zu schwingen. Diese Schwingungen wurden auf dem Video gewonnen, und haben seit 142 Sekunden gedauert.

Siehe auch

• Akustische Klangfülle
• Zentrum-Frequenz
• Cymatics
• Dämpfung
• Gesteuerte harmonische Bewegung
• Erdbeben-Technik
• Elektrische Klangfülle
• Formant
• Harmonischer Oszillator
• Scheinwiderstand
• Nichtlineare Klangfülle
• Positives Feed-Back
• Q Faktor
• Klangfülle-Katastrophe
• Resonator
• Vibrieren
• Klangfülle von Schumann
• Einfache harmonische Bewegung
• Abgestimmter Stromkreis
• Mitfühlende Schnur

Links

• Die Definition der Klangfülle - "Die Zunahme im Umfang der Schwingung eines elektrischen oder mechanischen Systems, das zu einer periodischen Kraft ausgestellt ist, deren Frequenz gleich ist oder sehr in der Nähe von der natürlichen ungedämpften Frequenz des Systems."
• Klangfülle - ein Kapitel aus einem Online-Lehrbuch
• Greene, Brian, "Klangfülle in Schnuren". Das Elegante Weltall, NOVA (PBS)
• Hyperphysik-Abteilung auf Klangfülle-Konzepten
• Klangfülle gegen den widerhallenden (Gebrauch von Begriffen)
• Holz und Luftklangfülle in einem Kielflügel
• Java applet demonstrierende Klangfülle auf einer Schnur, wenn die Frequenz der treibenden Kraft geändert wird
• Java applet das Demonstrieren des Ereignisses der Klangfülle, wenn die Fahrfrequenz mit der natürlichen Frequenz eines Oszillators zusammenpasst
• Das Brechen des Glases mit dem Ton, einschließlich der Hochleistungsgesamtlänge des Glases, das bricht