♪ Modális szintézis, 1. óra (előadás + gyakorlat) – Előadó + tanársegéd – 90 perc

Az óra felépítése

Ez a kurzus első 90 perce: hibrid óra, az elmélet előadás és a gyakorlat váltakozik. Minden blokk három részből áll: (1) Előadás (ezt mondod el, az Elmélet fül adott pontja alapján), (2) számolás, demó vagy kód (a hallgatók is csinálják), (3) kérdések válasszal. Az Elmélet fül 1–7. pontja az előadás gerince, a 8–13. kiegészítésekből a megfelelő blokk vesz át egy-egy gondolatot.

Előkészület

📋 Ez kell az órához
Nyitott modalis_szintezis_tananyag_part1_genexpr.html (Demók fül: a tömegek lánca), hangszóró, tábla, számológép hallgatónként, a kinyomtatott mini-teszt (6 kérdés), Max 8 a három előre megépített gen~ patchcsel (Kódok fül: 1., 2. és 3. kód), DSP bekapcsolva.
Tanársegéd Párhuzamos szerep (a megoldókulcs és a gyakori tévedések az utolsó kártyákon vannak): amíg az előadó beszél és a demót vagy a táblát vezeti, te a teremben dolgozol: járkálsz a párok között, az első sort nézed (kg és N/m van-e), jegyzetelsz, és egy második gépen (Demó és Max) kéznél tartod a következő példát. Ha valami elakad, te hárítod el, az előadó ne álljon meg. Hozz második laptopot, hangszórót és órát. Az óra előtt 15 perccel: a három gen~ patch megépítése és kipróbálása (mindegyik: [click~] → [gen~] → [scope~], a gen~-ben codebox; a 2. kód három kimenetét külön [scope~]-ra köss), a kérdés-fal fejléce a tábla jobb szélére, a tesztlapok lefordítva az asztalokra.
Alapelvek: a hallgatók nem matek és fizika szakosak, ezért a számolást lépésenként, szavakkal kísérve vezesd, de hasonlatot csak az elméleti magyarázatnál használj (mi a módus, mit jelent a csillapítás, miért két módus van, miért szállhat el az Euler). A számolási lépéseknél (átváltás, behelyettesítés, megoldóképlet, a kód olvasása) nincs hasonlat: mondd ki, mit csinálsz és miért, és mutasd a mértékegységet. Minden kérdés alatt zöld dobozban ott a válasz. Minden 5 percben legyen számolás, hangpróba vagy kérdés. A hintát ne használd a tömeg–rugó rendszerre: a hinta lengésideje nem függ a tömegtől, a trambulinnál igen. A Demó 1 jelölőnégyzetei a lassított rajzot és a hangot is kapcsolják (módosítás után újra kell ütni).
IdőTéma
0–5Bevezetés: LTI-feltevés, a módus fogalma (1. pont)
5–10Egy rezgő I.: mozgásegyenlet, ω₀, f₀ (2. pont)
10–15Egy rezgő II.: σ, ζ, impulzusválasz, T₆₀ (3. pont)
15–20A (b) és (c) eset
20–25Több szabadságfok: M, K, C (4. pont)
25–30Sajátérték-feladat, két tömeg (5. pont)
30–35Ortogonalitás, szétcsatolás, erősség (6. pont)
35–40Szünet és gépelőkészítés
40–45Demó, N = 1: a számolt rezgő meghallgatása
45–50Demó, N = 2: a két módus külön és együtt
50–55Demó, N = 3: ütés helye, Rayleigh-csillapítás (6., 11. pont)
55–60Mintavétel, két mintás szabály, három módszer (7.1)
60–65A gen~ patch futtatása és a kimenet olvasása
65–70A pólus sugara, impulzus-invariancia (7.2, 8. pont)
70–75A modális szintézis egyenlete, gyakorlati kérdések (7.3, 13. pont)
75–80Mini-teszt, első fele
80–85Mini-teszt, második fele, lapcsere, kulcs
85–90Lezárás, házi feladat, átvezetés

0–5 percBeérkezés, cél, bemelegítő kérdések

Előadás (ezt mondd el)

A kurzus témája a modális szintézis: egy rezgő tárgy, például harang, gong vagy gitártest hangját úgy állítjuk elő, hogy a tárgy saját rezgésformáiból, a módusokból építjük fel. Az alapfeltevés, hogy a tárgy lineáris és időben állandó: a rezgés ereje nem változtatja meg a tárgy tulajdonságait, a válasz az ütés erejével arányosan nő. Kis kitérésnél ez jó közelítés. Nemlineáris jelenségek, például a gong felfutása, ebben a modellben nincsenek.

Ilyen rendszerben vannak különleges mozgásformák, a módusok: olyan lengések, amelyekben a tárgy minden pontja ugyanazon a frekvencián leng, a kitérések aránya pedig állandó. Ezt az arányt módusalaknak hívjuk. Egy N tömegből álló modellnek N módusa van, és bármilyen mozgás a módusok összege. Minden módust három szám jellemez: a frekvenciája, a lecsengési rátája és az erőssége. A hang ennek a három listának a megvalósítása. Ma egyetlen rezgőtől indulunk, és a több tömegen át eljutunk a modális szintézis egyenletéig.

Mondd el

Ma végigmegyünk a modális szintézis elméletén, és minden lépést kiszámolunk, meghallgatunk és lekódolunk. Kilencven percünk van, a végén hat kérdéses mini-teszt lesz, tíz pontról. Nem azért, hogy elkapjalak, hanem hogy te is lásd, mi ragadt meg.

🎯 Mutasd / csináld
A táblán a három oszlop (SZÁMOLÁS | HALLGATÁS | KÓD), a menetrend és a három kérdés. Amíg beülnek, a Demó 1-et kis hangerőn megüted néhányszor. Párban másfél percig beszélgetnek a három kérdésről, aztán közösen átveszitek (kérdésenként kb. 30 mp).
❓ Mi az a módus?
Válasz: olyan mozgásforma, amelyben a tárgy minden pontja ugyanazon a frekvencián, rögzített arányban mozog. Ha nem tudják (hasonlat): egy tánckar, ahol mindenki ugyanabban az ütemben mozog, de mindenkinek más a mozdulata.
❓ Mit mond meg a σ?
Válasz: milyen gyorsan cseng le a rezgés: σ = c/2m, nagyobb σ = rövidebb hang. Ha nem tudják (hasonlat): a trambulinon pattogó gyerek egyre kisebbet ugrik, a σ a lendület fogyásának a gyorsasága.
❓ Miért tompul a hang lecsengés közben?
Válasz: a csillapítás a magas módusokat jobban fékezi, ezért azok halnak ki előbb, a mély alap marad. Ha nem tudják (hasonlat): a zongora: ütés után a csilingelő felső rész hamar eltűnik, a mély alap marad.
Tanársegéd Körbejársz, és fejben jegyzed, ki tud válaszolni és ki nem. Nem javítasz. Akik a módus fogalmánál bizonytalanok, azoknak a két tömeges blokkoknál (20–35) segíts többet. Ha csúszik: a közös átvétel kérdésenként 20 másodperc.

5–10 percEgy rezgő I.: átváltás, ω₀, f₀

Előadás (ezt mondd el)

Kezdjük a legegyszerűbb rezgővel: egy tömeg, egy rugó, egy fék. Newton második törvénye: a tömeg szorozva a gyorsulással egyenlő a rá ható erők összegével. A rugó visszahúz, ez −kx. A fék lassít, ez −cẋ. És lehet külső erő, f. Ebből: m·ẍ + c·ẋ + k·x = f(t). A mértékegységek SI-ben: m kilogramm, k newton per méter, c newton-szekundum per méter, f newton. Csak koherens egységekben igaz a képlet.

Ha nincs fék és nincs külső erő, a rendszer a saját ütemében leng: x = cos(ωt)-t behelyettesítve −mω² + k = 0, vagyis ω₀ = √(k/m) radián per másodperc. A hertzben mért frekvencia f₀ = ω₀/2π, mert egy kör 2π radián. A feszesebb rugó nagyobb ω₀-t ad, a nagyobb tömeg kisebbet.

Mondd el (elmélet)

Az első feladat a legkisebb „hangszer”: egy tömeg, egy rugó, egy fék. Képzeljetek el egy gyereket a trambulinon: a gyerek a tömeg, a vászon a rugó, a levegő a fék. Feszesebb vászonnál gyorsabb a pattogás, nehezebb gyereknél lassabb. A dobnál ugyanez: feszes bőr magas hang, nagydob mély.

Mondd el (számolás, hasonlat nélkül)

Az első lépés mindig a mértékegység-átváltás, mert a képlet SI-egységekkel működik: a gramm kilogramm lesz, a kN/m newton per méter. Utána behelyettesítünk.

🎯 Mutasd / csináld
Táblára, lépésenként: m = 10 g = 0,01 kg; k = 76 kN/m = 76 000 N/m; ω₀ = √(k/m) = √(76 000 / 0,01) = 2757 rad/s; f₀ = ω₀ / 2π = 2757 / 6,283 = 438,8 Hz. „Ez majdnem az A hang (440 Hz).”
❓ Miért kell a 2π?
Válasz: az ω radián per másodperc, az f hertz (kör per másodperc), és egy teljes kör 2π radián.
❓ Mi lesz az f₀-val, ha megduplázom a tömeget?
Válasz: csökken, a √2-ed részére: 438,8 / 1,414 ≈ 310 Hz (nehezebb tömeg, mélyebb hang).
Tanársegéd Minden asztalnál az első sort nézed. Ha kg és N/m keveredik, nem javítasz, hanem kérdezel: „Kilogrammban és N/m-ben van minden?” Az ω₀ és f₀ keverésénél: az f hertz, az ω rad/s, köztük 2π van. Ha csúszik: a tömegduplázás kérdés kimarad.

10–15 percEgy rezgő II.: σ, T₆₀, c_krit, ζ

Előadás (ezt mondd el)

Fékkel a megoldás exponenciálisan fogy. Keressük a megoldást x = e^(st) alakban, ahol az s egyelőre ismeretlen szám, mértékegysége 1/s. Az exponenciális deriváltja önmaga, csak megszorozódik s-sel: ẋ = s·e^(st) és ẍ = s²·e^(st). Ezt behelyettesítve a mozgásegyenletbe (m·ẍ + c·ẋ + k·x = 0) az e^(st) mindenhol kiesik, és egy sima másodfokú egyenlet marad: m·s² + c·s + k = 0, azaz s² + 2σs + ω₀² = 0, ahol σ = c/2m a lecsengési ráta. Az s ennek az egyenletnek a gyöke: s = −σ ± √(σ² − ω₀²). Ha ζ kisebb 1-nél, a gyök komplex szám: s = −σ ± j·ω_d (a j a képzetes egység). A valós rész (−σ) a lecsengés, mert e^(−σt) fogy. A képzetes rész (±ω_d) a lengés, mert e^(j·ω_d·t) szinuszos. Az ilyen s gyököket pólusoknak hívjuk: egy módus egy póluspár, a képzetes része a hangmagasság, a valós része a lecsengés. A ζ = σ/ω₀ a csillapítási tényező, a c_krit = 2√(km) a kritikus csillapítás, ζ = c/c_krit.

Három eset van. Ha ζ kisebb 1-nél, a mozgás lecsengő szinusz, ω_d = √(ω₀² − σ²) csillapított frekvenciával. Ha ζ = 1, kritikus: már nem leng át. Ha ζ nagyobb 1-nél, csak lassú visszatérés van. A hangot egy ütés, egy J impulzus hozza létre, amely a tömeg sebességét J/m-re állítja. Erre a válasz az impulzusválasz: h(t) = J/(m·ω_d) · e^(−σt) · sin(ω_d·t). A T₆₀ az az idő, amíg az amplitúdó az ezredrészére esik: e^(−σ·T₆₀) = 10⁻³, tehát T₆₀ = ln 1000/σ ≈ 6,9/σ.

Mondd el (elmélet)

A σ azt mondja meg, milyen gyorsan fogy a lendület, mint a trambulinon pattogó gyereknél, aki egyre kisebbeket ugrik. A T₆₀ az az idő, amíg a hang az induló erejének ezredrészére esik: ez a hatvan decibel. Ugyanez a reverb pluginok RT60-a, vagyis a terem utózengési ideje.

A kritikus csillapítás az a fék, ahol a rendszer már nem leng át: mintha a trambulin vásznát mézbe merítenéd. A ζ azt mondja meg, hányad része ennek az a fék, amink van.

Mondd el (számolás, hasonlat nélkül)

A hatvan decibel ezerszeres amplitúdóarány, ezért a T₆₀ számlálója ln 1000 = 6,9. Mindig a σ-val osztunk.

🎯 Mutasd / csináld
Táblára: σ = c / 2m = 0,049 / 0,02 = 2,45 1/s; T₆₀ = ln 1000 / σ = 6,908 / 2,45 = 2,82 s; c_krit = 2√(k·m) = 2√760 = 55,1 N·s/m; ζ = c / c_krit = 0,049 / 55,1 = 8,9·10⁻⁴. A bal alsó táblázat (a) sora: 438,8 Hz | 8,9·10⁻⁴ | 2,82 s | 55,1. Értelmezés: ζ nagyon kicsi, tehát alig fékezett, sokat leng.
❓ Miért 6,9 a T₆₀ számlálója, és nem 3?
Válasz: mert 60 dB ezerszeres amplitúdóarány, és ln 1000 = 6,9. (A 3 a log₁₀ 1000 értéke, az nem ide való.)
❓ Mit jelent, hogy ζ = 8,9·10⁻⁴?
Válasz: a csillapítás a kritikus érték ezrelékének töredéke: nagyon gyengén csillapított, sokat leng, mielőtt elhal.
❓ Ha kétszer akkora a c, mennyi lesz a T₆₀?
Válasz: a fele, 1,41 s, mert σ = c/2m arányos a c-vel, a T₆₀ pedig fordítottan arányos a σ-val.
❓ Mi az s az x = e^(st) próbafüggvényben?
Válasz: az egyenlet gyöke: s = −σ ± j·ω_d. A valós része (−σ) a lecsengés, a képzetes része (±ω_d) a lengés, a hangmagasság.
❓ Mi történik, ha ζ ≥ 1?
Válasz: az s gyökök valósak, nincs képzetes rész, tehát nincs lengés, csak lecsengés.
Tanársegéd Gyakori hiba: 3-at írnak 6,9 helyett, vagy az ln 1000-et c-vel osztják. Mondod: „A számláló ln 1000, és a σ-val osztunk.” Ha csúszik: a kétszeres fék kérdés kimarad.

15–20 percA (b) és (c) eset

Előadás (ezt mondd el)

A zenei tárgyak ζ értéke rendkívül kicsi, 10⁻⁴ és 10⁻² között van, ezért ezek sokat lengenek, mielőtt elhalnak. Ilyenkor ω_d gyakorlatilag egyenlő ω₀-val. A kritikus csillapításnál nagyobb fék már nem hangszerszerű: nincs lengés, nincs hangmagasság, csak egy rövid lökés. Ezt fogjátok látni a (c) esetben. Most számoljátok ki saját kezűleg a (b) és (c) értékeit.

Mondd el

Most ti jöttök. A (b) eset: m = 5 g, k = 300 kN/m, c = 7,6 N·s/m. Három perc, egyedül, az első sor az átváltás.

🎯 Mutasd / csináld
Három perc önálló számolás. Utána egy hallgató felírja a (b) megoldását a táblára: f₀ = 1232,8 Hz, ζ = 0,098, T₆₀ = 9,1 ms, c_krit = 77,5 N·s/m. A (c) esetet (c = 55,1 N·s/m) te írod be: 438,8 Hz | 0,9993 | 2,5 ms | 55,1.
Mondd el (elmélet, a (c) esethez)

A (c)-ben a fék pontosan a kritikus érték: nincs csengés, csak puffanás. Ilyenkor a rendszer már nem leng át, ezért csengés helyett csak rövid puffanás hallatszik.

❓ Mit hallanánk a (b) esetből?
Válasz: sokkal magasabb hangot (1233 Hz), ami szinte azonnal elhal (9 ms): rövid „kopp”.
❓ A (c) esetben mit fogunk hallani?
Válasz: nem csengést, hanem rövid puffanást (a hangot a 9. blokkban hallgatjátok meg).
❓ Az (a) és a (b) közül melyik cseng hosszan, melyik rövid?
Válasz: az (a) hosszan cseng (2,8 s), a (b) magasabb, de szinte azonnal elhal (9 ms).
Tanársegéd Három percig körbejársz, és megszámolod, hányan kaptak jó (b) eredményt: ezt súgod az előadónak. A „(c)-ben nincs hang” tévedést kijavítod: nincs csengés, de puffanás van. Ha csúszik: a (b)-t házinak adjátok, csak az eredményt írjátok fel.

20–25 percKét tömeg: ábra, mátrixok, determináns

Előadás (ezt mondd el), 1. lépés: az ábra

Ha több tömegünk van, mindegyikre külön mozgásegyenletet írunk, de a szomszédos tömegek hatnak egymásra, ezért az egyenletek összekapcsolódnak. A mátrix ezeknek az összekapcsolt egyenleteknek a rendezett táblázata. Nézzük a legegyszerűbb esetet: két tömeg. Az első rugó a falhoz köti az m₁-et, a második rugó az m₁-et az m₂-höz, a jobb vég szabad. Az x₁ és az x₂ a két tömeg kitérése a nyugalmi helyétől, jobbra pozitív.

🎯 Mutasd / csináld
Kivetíted az ábrát, a hallgatók lerajzolják: fal – rugó – m₁ – rugó – m₂. m₁m₂ kkfalszabad vég x₁ →x₂ → Erők a tömegekre (jobbra pozitív): m₁m₂ −k·x₁+k(x₂−x₁)−k(x₂−x₁)
2. lépés: az erők (mutasd az ábra alsó részét)

Az m₁-re két rugó hat. A bal rugó x₁-gyel nyúlt meg, ezért visszahúz: −k·x₁. A jobb rugó hossza az x₂ − x₁ különbségtől függ: ha az m₂ jobban kitér, a rugó megnyúlik, és előre húzza az m₁-et: +k·(x₂ − x₁). Newton: m·ẍ₁ = −k·x₁ + k·(x₂ − x₁) = −2k·x₁ + k·x₂.

Az m₂-re csak a jobb rugó hat, mert a jobb vége szabad. Ha az x₂ nagyobb az x₁-nél, a rugó visszahúzza: m·ẍ₂ = −k·(x₂ − x₁) = k·x₁ − k·x₂.

🎯 Mutasd / csináld
Táblára, két sorban egymás alá, hogy az x₁ és az x₂ oszlopba kerüljön (ez készíti elő a mátrixot):
m·ẍ₁ + 2k·x₁ − k·x₂ = 0
m·ẍ₂ −  k·x₁ + k·x₂ = 0
3. lépés: mátrixba rendezés

A két egyenlet együtthatóit táblázatba írjuk. A gyorsulások együtthatói adják az M-et, a kitérések együtthatói a K-t. Az M tömegmátrix átlós, mert a tömeg csak a saját gyorsulását befolyásolja. A K merevségmátrix: a sorok az egyenletek (tömegek), az oszlopok a kitérések.

🎯 Mutasd / csináld
Táblára:
Mozgásegyenlet (fék és külső erő nélkül):   M·ẍ + K·x = 0

[ m   0 ]   [ ẍ₁ ]     [  2k  −k ]   [ x₁ ]     [ 0 ]
[ 0   m ] · [ ẍ₂ ]  +  [ −k    k ] · [ x₂ ]  =  [ 0 ]
    M                       K

A K elemei:
  K₁₁ =  2k    az m₁-et két rugó fogja
  K₁₂ = −k     az m₂ kitérése előre húzza az m₁-et
  K₂₁ = −k     az m₁ kitérése visszahúzza az m₂-t (a K szimmetrikus)
  K₂₂ =  k     az m₂-t csak egy rugó fogja
Közben megmutatod a K olvasását: a Kij azt mondja meg, mekkora (ellentétes előjelű) erő hat az i. tömegre, ha a j. tömeget 1 egységgel kitérítjük, a többit helyben tartjuk.
4. lépés: általánosítás és a tiszta lengés

Láncban az átlóban a tömeget tartó rugók összege áll (2k), a szomszédos elemek −k-t kapnak: a negatív előjel azt jelenti, hogy a szomszéd visszahúz. A szabad végnél csak egy rugó van, ezért ott az átlóelem k. Az M és a K szimmetrikus, az M pozitív definit, a K pozitív szemidefinit. A csillapításmátrixot (C) a 11. pontnál nézzük meg.

A rendszer akkor leng tiszta, egyetlen ütemben, ha x = u·e^(jωt) alakú. Behelyettesítve: (K − ω²M)·u = 0, és ennek csak akkor van nem nulla megoldása, ha det(K − ω²M) = 0. Ezt a következő blokkban oldjuk meg.

❓ Milyen egyszerű mozgásokat láttok a két tömegnél?
Válasz: (1) együtt mennek ugyanarra, (2) ellentétesen mennek. Ez a két módus.
❓ Hány módusa van a rendszernek?
Válasz: kettő: annyi, ahány tömeg (szabadságfok).
❓ Miért áll 1 a K jobb alsó sarkában?
Válasz: mert a második tömeget csak egy rugó fogja (a szabad végén nincs második rugó).
❓ Mit jelent a K₁₂ = −k?
Válasz: ha az m₂-t egységnyivel kitérítjük, a közös rugó előre húzza az m₁-et; a K-ba ez az erő ellentétes előjellel kerül, ezért negatív.
❓ Miért átlós az M?
Válasz: mert egy tömegre ható erőt csak a saját gyorsulása határozza meg (F = m·a), a szomszéd gyorsulása nem.
❓ Mi lenne a K, ha a jobb vég is falhoz volna rögzítve?
Válasz: K = k·[2 −1; −1 2]: az m₂-t is két rugó fogná, ezért a jobb alsó elem is 2k lenne.
Tanársegéd Ellenőrzöd, hogy mindenki lerajzolta az ábrát és helyesen írta fel a K-t. Gyakori hibák: (1) az átlóban negatív szám áll: ott pozitív van, mellette negatív; (2) az erőket előjel nélkül írják fel: kérdezd meg, merre mutat a nyíl; (3) a K jobb alsó sarkába 2k-t írnak. Ha csúszik: az általánosítást (4. lépés) rövidítsd, de a „milyen egyszerű mozgások” kérdést ne hagyd ki.

25–30 percA λ-egyenlet és a két frekvencia

Előadás (ezt mondd el)

Ha nincs fék és erő, a rendszer akkor leng tiszta, egyetlen ütemben, ha x = u·e^(jωt) alakú. Behelyettesítve: (K − ω²M)·u = 0. Ennek csak akkor van nullától különböző megoldása, ha det(K − ω²M) = 0. Ez ω²-ben N-edfokú egyenlet, tehát N sajátérték van, és mindegyikhez egy módusalak, az u vektor. A vektor csak irányáig meghatározott: a kitérések arányát adja meg.

A λ = ω²/ω₀² arány mértékegység nélküli, mint egy zenei intervallum. A két tömeges lánc ebből másodfokú egyenlet. Ennek két gyöke inharmonikus frekvenciaarányt ad, ezért szól a lánc fémesebben, mint a húr, amelynek felhangjai 1 : 2 : 3.

Mondd el (elmélet)

A λ az arány az alapfrekvenciához képest, mértékegység nélkül. Olyan, mint egy zenei intervallum: nem a hertz számít, hanem a két hang aránya.

Mondd el (számolás, hasonlat nélkül)

A determináns az átlók szorzata mínusz a mellékátlók szorzata: (2 − λ)(1 − λ) − 1 = 0, rendezve λ² − 3λ + 1 = 0. Párban oldjátok meg a megoldóképlettel, két perc. Végül gyököt vonunk: ω = ω₀·√λ.

🎯 Mutasd / csináld
Táblára: a = 1, b = −3, c = 1; λ = (3 ∓ √5) / 2 = 0,382 és 2,618; ω₁ = √0,382·ω₀ = 0,618·ω₀, ω₂ = √2,618·ω₀ = 1,618·ω₀; f₁ = 439·0,618 = 271 Hz, f₂ = 439·1,618 = 710 Hz. Megjegyzés: a 0,618 és 1,618 az aranymetszés számai.
❓ Mennyi az f₂ osztva f₁-gyel?
Válasz: 710 / 271 = 2,618, nem 1,618. Sokan 1,618-at mondanak, mert az aranymetszés ott van a szemük előtt.
❓ Egy oktáv ennél több vagy kevesebb?
Válasz: több: ez egy oktáv és egy kissé szűk kvart. Egy húr felhangjai 1 : 2 : 3, itt 1 : 2,6, ezért szól fémesebben, harangszerűen.
Tanársegéd Akik elakadtak: „a = 1, b = −3, c = 1, ezeket kell a képletbe írni.” Két tipikus hiba: 1,618-at mondanak f₂/f₁-nek (osszák el: 710 / 271), és elfelejtik a gyökvonást (a λ helyett √λ kell). Ha csúszik: az oktáv és kvart megjegyzés kimarad.

30–35 percMódusalakok és az erősségarány

Előadás (ezt mondd el)

A módusalakok ortogonálisak a tömegmátrixra nézve: u_mᵀ·M·u_n = 0, ha m ≠ n. Vázlatos bizonyítás: a K·u_n = ω_n²·M·u_n egyenletet szorozzuk u_mᵀ-vel, a fordítottját u_nᵀ-vel, és kivonjuk őket: (ω_n² − ω_m²)·u_mᵀMu_n = 0, így különböző frekvenciáknál a szorzat nulla. Ennek az a következménye, hogy az x = Σ q_n·u_n helyettesítéssel N független egyenlet marad: m_n·q̈_n + c_n·q̇_n + k_n·q_n = u_nᵀ·f, ahol m_n = u_nᵀMu_n a módus-tömeg. Tehát egy N szabadságfokú rendszer N független rezgő.

Ha a p pontban ütünk és a q pontban hallgatunk, az n. módus erőssége a_n = u_n(p)·u_n(q)/m_n. Ha az ütés a módus csomópontjában van, ez nulla: a módus nem szólal meg. Ez a gitár flageolettje.

Mondd el (elmélet)

A módusalak azt mondja meg, ki mennyit mozdul a közös ütemben. Az első módusban a két vagon együtt megy, a második 1,6-szor nagyobbat mozdul, mint egy hullámzó vonat farka. A másodikban a negatív előjel ellentétes irányt jelent: olyan, mint a libikóka, az egyik fel, a másik le, köztük nyugvópont.

A módus hangereje az ütés és a hallgatás helyétől függ. Gitáron ez a flageolett: ha a húr csomópontját érinted, az alaphang eltűnik, az oktáv szól. Az ütés helye dönti el, melyik módus kap energiát.

Mondd el (számolás, hasonlat nélkül)

Az első egyenletből u₂ = (2 − λ)·u₁, legyen u₁ = 1. Behelyettesítünk mindkét λ-ra. A módus-tömeget kész adatként adom. Ha az ütés és a hallgatás helye is a második tömeg, az erősség aₙ = uₙ(2)² / (mₙ·ωₙ).

🎯 Mutasd / csináld
Táblára: λ = 0,382: 2 − 0,382 = 1,618; λ = 2,618: 2 − 2,618 = −0,618; u₁ = (1; 1,618); u₂ = (1; −0,618); m₁ = 3,618 m; m₂ = 1,382 m; a₁ ∝ 2,618 / (3,618·0,618) = 1,17; a₂ ∝ 0,382 / (1,382·1,618) = 0,171; a₂/a₁ ≈ 0,146 (kb. −17 dB).
❓ Mit jelent, hogy a 2. módusban az egyik érték negatív?
Válasz: a két tömeg ellentétes fázisban leng (az egyik jobbra, a másik balra megy egyszerre), köztük van egy nyugvópont.
❓ Melyik módus szól hangosabban, ha a 2. tömegnél ütünk és hallgatunk?
Válasz: az 1. módus. Az arány a₂/a₁ = 0,146, vagyis a 2. módus kb. 17 dB-lel halkabb. (A 2. tömeg az 1. módusban sokat mozdul, 1,618, a 2.-ban keveset, −0,618, és a frekvencia is nagyobb.)
Tanársegéd A tipikus hiba: az aₙ-nél elfelejtik négyzetre emelni az uₙ(2)-t. Mondd: „az ütés és a hallgatás helye is számít, ezért szorzat, ugyanott négyzet.” Ha csúszik: a módus-tömegek és az arány házi, csak a 0,146-ot mondjátok ki.

35–40 percSzünet és gépelőkészítés

Mondd el

Öt perc szünet, negyvenkor pontosan folytatjuk. Ha valami megmaradt a fejetekben, írjátok fel a Kérdés-falra, a végén visszatérünk rá.

🎯 Mutasd / csináld
Hagyd nyitva a Demó 1-et, N = 1, m = 10 g, k = 76 kN/m, c csúszka 16-on (0,049 N·s/m). A böngésző addig nem ad hangot, amíg egyszer nem ütsz: ezt most tedd meg.
Tanársegéd A szünetben: (1) a Max megnyitása, a három gen~ patch betöltése, DSP bekapcsolása, egy próbaütés, (2) a Demó 1 hangjának ellenőrzése, (3) a tesztlapok az asztalokon, lefordítva, (4) a Kérdés-fal elolvasása. Ha az előző blokkok csúsztak, a szünet 3 perc.

40–45 percDemó, N = 1: a számolt rezgő meghallgatása

Mondd el

Eddig számoltunk, most meghallgatjuk ugyanazokat. Mindig ugyanaz a rend: először megmondom, mit várok, aztán ütök, aztán összevetjük. Azt várom: 439 hertz és kb. 2,8 másodperc. A görbe ott tűnik el, ahol a hang az ezredrészére esett: ez a T₆₀. Az animáció lassított felvétel, hogy lásd a lengést.

🎯 Mutasd / csináld
Ütés, a kijelzőn az f = … sor, a hullámforma. Majd a c csúszkát kb. 87-re húzod (55 N·s/m körül): puffanás, azonnal lecsengő görbe (kritikus fék: nincs csengés). Visszaállítod 16-ra.
❓ Egyezik-e a kijelzett frekvencia a számolásunkkal?
Válasz: igen, 438,8 Hz, legfeljebb 1–2 Hz eltéréssel. Ha nem: nézzétek meg a mértékegységet (gramm és kN/m a demóban).
❓ Mi változott a hullámformán, amikor a fékezést megemeltem?
Válasz: nincs lengés, a görbe azonnal lecseng: puffanás.
Tanársegéd Kérdezd meg a hátsó sorból, hallják-e a puffanást. Ha nem szól a demó: hangerő, némítás, és az Ütés gomb. A hallgatói Ütés és a c-sor rövidítése csúszásnál megengedett, a puffanás nem hagyható ki.

45–50 percDemó, N = 2: a két módus külön és együtt

Mondd el

Két tömeg, két módus: a kijelzőn 271 és 710 hertz, az arány 1,00 : 2,62, ahogy kiszámoltuk. Hallgassátok meg: egy hangot vagy kettőt hallotok? Figyeljétek a mély hang fölött a halvány csilingelést.

A hangszín úgy áll össze, mint a festékkeverés: minden módus egy tubus, a hang a kinyomott mennyiségek aránya. Az igazi mozgás a két módus összege.

🎯 Mutasd / csináld
N = 2, fal – szabad, ütés és hallgatás a 2. tömegnél. Ütés, aztán a rajzon csak az 1. módus (a két tömeg együtt megy), csak a 2. (ellentétesen), végül mindkettő. Minden pipaváltás után újra Ütés: a pipa a rajzot és a hangot is kapcsolja, a hangerő-arány megmarad (a 2. módus egyedül sokkal halkabb, mint az 1.).
❓ Egy hangot vagy kettőt hallotok?
Válasz: elsősorban egy mély hangot (271 Hz) hallunk, a magas (710 Hz) csak halvány kísérő, mert a 2. módus kb. 17 dB-lel halkabb.
❓ Mi történik, ha csak a 2. módus szól?
Válasz: magasabb, csilingelő hang, 710 Hz.
❓ Mi a különbség az 1. és a 2. módus rajzán?
Válasz: az 1.-nél a két tömeg együtt, a 2.-nál ellentétesen mozog.
Tanársegéd Te kezeled a pipákat és az Ütés gombot a második gépen, az előadó közben beszél. Figyeled, hogy pipaváltás után újraütnek-e (az Ütés gomb számolja újra a hangot).

50–55 percDemó, N = 3: az ütés helye és a hangszín

Előadás (ezt mondd el)

Eddig a csillapítást egyetlen számmal kezeltük. A C mátrix általános alakjánál komplex módusok jönnének, ezért szintézisben az arányos, Rayleigh-modellt használjuk: C = α·M + β·K. Ekkor minden módus független marad, és σ_n = (α + β·ω_n²)/2. Az α minden módust azonos arányban fékez, a β a magasabbakat négyzetesen jobban. Ezért tompul a hang lecsengés közben: a magas módusok hamarabb halnak ki.

Mondd el

Három módus: 195, 547 és 791 hertz, az arány 1 : 2,80 : 4,05, nem 1 : 2 : 3, mint egy húr felhangjainál. Ezért szól fémesebben. A szabad végen ütve a mély alaphang uralkodik: sötét, kerek hang. A falnál ütve az alaphang gyengébb, a hang csilingelősebb, élesebb.

Gondoljatok a gitárra: a híd mellett pengetve (ponticello) éles hangot kapsz, a fogólap fölött (tasto) kerek hangot. Az ütés helye a hangszín gombja.

🎯 Mutasd / csináld
N = 3, az ütés és a hallgatás helye mindig ugyanaz. Először mindkettő 3-on, aztán mindkettő 1-en, többször váltva. Közben ne a hangerőt figyeljék, hanem azt, hogy élesebb vagy kerekebb lett-e a hang.
❓ Miért szól más hangszínen az ütés a falnál és a szabad végen?
Válasz: az ütés helye határozza meg, melyik módus kap több energiát. A falnál az alaphang mozgása kicsi, ezért a magasabb módusok erősebbek (élesebb hang), a szabad végen az alaphang dominál (kerekebb hang).
❓ Mit csinál a β csúszka (magas módusok extra féke)?
Válasz: a magasabb módusok lecsengési rátáját négyzetesen növeli (σ_n = (α + β·ω_n²)/2), ezért a magas rész hamar eltűnik, és a hang tompul lecsengés közben. A demóban húzd a β-t felfelé, és ütés után hallgasd meg.
❓ Hol a leggyengébb az alaphang a többi módushoz képest?
Válasz: a falnál ütve (az 1. tömegnél).
Tanársegéd Összeszámolod a kézfelemeléseket: „élesebb” vagy „kerekebb” a falnál. Ha csúszik: a közös megbeszélés (54:15–55:00) kimarad.

55–60 percKód-labor: három módszer, egy rezgő

Előadás (ezt mondd el)

A gép mintánként számol: f_s = 44100 minta másodpercenként, T = 1/f_s. Egy rezgő hangja két mintás szabállyal állítható elő: y[n] = a₁·y[n−1] + a₂·y[n−2]. Az a₁ és az a₂ háromféleképpen adható meg: explicit Euler, szemi-implicit Euler és a pontos (impulzus-invariáns) megoldás. Az Euler a differenciálegyenletet közelíti: minden lépésben a pillanatnyi meredekséggel halad tovább. A pontos megoldás a kontinuus rendszer megoldásából indul ki, és az r = e^(−σT), θ = ω_d·T számokat használja: a₁ = 2r·cos θ, a₂ = −r².

Mondd el (elmélet)

A gép mintánként számol, 44100-szor másodpercenként: a mostani hang az előző két hang keveréke. Három módszert nézünk, mindhárom ugyanazt a rezgőt számolja. Az első kettő az Euler két változata, ez közelítő, lépésenkénti számolás. Olyan, mint sötétben sétálni kanyargós úton: minden lépés előtt csak az orrod irányát nézed, kanyarban kicsúszol, és a hiba halmozódik. A harmadik a pontos megoldás: ez a térkép, előre kiszámoltuk, hova jut a rezgő egy lépés alatt.

Három szám építi fel: a cos az óriáskerék forgási sebessége (ez adja a hangmagasságot), az r azt mondja meg, mennyi marad meg lépésenként (lecsengés), a sin az első lökés, az ütés.

🎯 Mutasd / csináld (kód, hasonlat nélkül)
Kivetíted a Kódok fül 2. kódját (gen~ codebox). Táblára (KÓD oszlop): y[n] = a₁·y[n−1] + a₂·y[n−2]; T = 1/44100 s; explicit Euler: a₁ = 2 − 2σT, a₂ = −(1 − 2σT + ω₀²T²); szemi-implicit: a₁ = 2 − 2σT − ω₀²T², a₂ = −(1 − 2σT); pontos: a₁ = 2r·cos θ, a₂ = −r², r = e^(−σT), θ = ω_d·T. A két Euler között egyetlen sor a különbség: az x az új vagy a régi sebességet használja.
❓ Szerintetek melyik módszer fog elszállni?
Válasz: nincs rossz tipp, ez a kíváncsiságot hozza. A helyes válasz: az explicit Euler. Ez a 60–65. percben derül ki a patch futtatásából.
❓ Melyik szám tartozik az y[n−1]-hez, melyik az y[n−2]-höz?
Válasz: az a₁ az y[n−1] (az előző minta), az a₂ az y[n−2] (az azelőtti minta) szorzója.
Tanársegéd Az a₁ és a₂ összekeverését figyeled. Ha valakinek nincs Maxa, párba ültetsz. Ha csúszik: csak a két Euler-sort mutassátok.

60–65 percA gen~ patch futtatása és a kimenet olvasása

Mondd el

Most a patchben ütök, és három kimenetet nézünk egyszerre: az elsőn az explicit Euler, a másodikon a szemi-implicit, a harmadikon a pontos megoldás. Azt várom, hogy az első elszáll, a másik kettő szépen lecseng. A kitérés értékét húszzal szoroztam, hogy látszódjon, az első kimenetre pedig clip van, hogy ne üvöltsön.

🎯 Mutasd / csináld
A 2. kód patchében a [click~] gombbal ütsz, a három [scope~]-ot kivetíted. Közben a hangerő lent. Táblára: explicit Euler: elszáll (a valódi kitérés 0,5 s alatt ≈ 5·10¹⁶ m, ezért vág a clip); szemi-implicit és pontos: csúcs ≈ 0,036 m (×20 után ≈ 0,7), ugyanolyan lecsengés.
❓ Melyik módszer száll el, és honnan látszik?
Válasz: az explicit Euler (1. kimenet): azonnal telítésbe megy, a másik kettő amplitúdója szépen fogy.
❓ Mi a különbség a szemi-implicit és az explicit Euler között a kódban?
Válasz: a szemi-implicitnél az x az új sebességgel lép (xs_n = xs + T*vs_n), az explicitnél a régivel (xe_n = xe + T*ve).
❓ Miért kell a kimenetre clip az explicit Eulernél?
Válasz: mert a kitérés korlátlanul nő, és a hangszórót vagy a fület károsítaná; a clip csak a védelem, a hiba a módszerben van.
Tanársegéd Ez a te fő blokkod: a hibákat te javítod. Leggyakoribb: nincs bekapcsolva a DSP, a codebox nincs lefordítva (kalapács ikon), nincs bekötve a [click~], vagy az y1/y2 név ütközik a beépítettel (ezért ya, yb áll). Ha csúszik: te futtatod a kivetítőn mindenkinek.

65–70 percA pólus sugara: miért száll el az explicit Euler

Előadás (ezt mondd el)

A pontos együtthatók impulzus-invarianciával jönnek: az s = −σ ± jω_d pólusokat a z = e^(sT) leképezés viszi a z = r·e^(±jθ) pólusokba. A frekvencia és a lecsengés így pontos, nincs frekvenciatorzulás, és a rendszer stabil, ha σ > 0, vagyis r < 1. Emellett az ω_d < π·f_s feltételnek is teljesülnie kell: a Nyquist-frekvencia fölötti módusokat el kell hagyni, mert visszatükröződnének.

A szabály sorsát az r = √(−a₂) dönti el. Explicit Eulernél r² = 1 − 2σT + ω₀²T², ami ω₀²T² > 2σT esetén 1-nél nagyobb: a közelítési hiba negatív csillapításként viselkedik. A szemi-implicit r² = 1 − 2σT, stabil, de a frekvenciája ω₀T arányában eltér.

Mondd el (elmélet)

Mindhárom módszer két mintás szabály, és a sorsát egyetlen szám dönti el: a sugara, r = √(−a₂). Ez olyan, mint a mikrofon és a hangfal visszacsatolása: ha az erősítés egynél kisebb, a hang elhal, ha egynél nagyobb, üvölt. A sugár ez az erősítés: minden mintánál ennyiszeresére változik a hang.

🎯 Mutasd / csináld (számok, hasonlat nélkül)
Táblára: r = √(−a₂); explicit Euler: 1,0019 (minden mintánál +0,19%: nő); szemi-implicit: 0,99994 (elhal); pontos: r = e^(−σT) = 0,99994, mindig 1 alatt, amíg σ > 0. 44100 minta másodpercenként: a 0,19% halmozva adja az 5·10¹⁶-t.
❓ Mit jelent, hogy a sugár 1,0019?
Válasz: minden mintánál 0,19%-kal nő a hang; másodpercenként 44100-szor, ezért a végén óriási.
❓ Miért marad a pontos megoldás sugara mindig egynél kisebb?
Válasz: mert r = e^(−σT), és ha σ pozitív, a negatív kitevőjű e-hatvány mindig 1 alatt marad. Ezért a pontos rezgő soha nem szállhat el.
❓ (Bónusz) Mi történne a szemi-implicit hangjával, ha k = 500 kN/m és m = 1 g?
Válasz: a frekvenciája kb. 1,1%-kal, kb. 39 Hz-cel éles lenne, a pontosé nem változik: magasabb frekvencián nagyobb az Euler hibája.
Tanársegéd Gyakori tévedés: a 0,19%-ot elhanyagolhatónak tartják. Mondd: „ez minden mintánál megtörténik, a kis szám halmozva óriási.” Ha csúszik: a bónusz kérdés kimarad.

70–75 percMeghallgatás és összekötés (cos, r, sin)

Előadás (ezt mondd el)

Gyakorlati kérdések a bank megvalósításához. A Nyquist-frekvencia (0,9·π·f_s) fölötti módust kihagyjuk. A gen~ history és delay operátorai alapból fixdenorm-ot alkalmaznak a bemenetükre, ezért a lecsengett rezgő nem terheli a CPU-t. Ha futás közben változtatod a paramétereket, az a₁, a₂ ugrása kattanást adhat, ezért simítani kell. A módusok számával nő az összeg, ezért normalizálni kell. Egy módus mintánként kb. 4 szorzás, így több száz módus valós időben kezelhető.

Mondd el (elmélet)

A modális szintézis ezekből a rezgőkből áll. Minden módus egy két mintás rezgő: a cos adja a hangmagasságot, az r a lecsengést, a sin az ütés erejét. Egy tárgy hangja ezek összege: y(t) = Σ aₙ/ω_d,ₙ · e^(−σₙt) · sin(ω_d,ₙt). Három lista kell hozzá: frekvenciák, lecsengések, erősségek. Ezt a modális bankot a következő órákon építjük ki.

🎯 Mutasd / csináld
A 2. kód patchében a 2. és 3. kimenetet hallgatjátok (az explicit Euler kimenetét ne). Majd a 3. kód (modális bank, N = 3): p = q = 3, aztán p = q = 1. Táblára: cos θ → hangmagasság; r → lecsengés; sin → ütés; egy módus = egy rezgő; egy tárgy = a módusok összege.
❓ Melyik szám állítja a hangmagasságot az a₁ = 2r·cos θ képletben?
Válasz: a θ, a cos révén (θ = ω_d·T).
❓ Mekkora az r, ha a hang sosem halna el?
Válasz: 1: minden mintánál ugyanannyi marad meg, nem fogy semmi.
❓ Mi változik a bank hangján, ha p = q = 3-ról p = q = 1-re váltunk?
Válasz: az ütés helye az erősségeket változtatja (a₁ csökken a falnál, a magasabb módusok súlya nő), a frekvenciák nem: élesebb, csilingelősebb a hang.
Tanársegéd Te kapcsolgatod a kimeneteket és a p, q értékét, az előadó közben beszél; az explicit Euler kimenetét lehalkítod. Ha csúszik: a hanghallgatás kimarad, az összekötés bővüljön öt percre, ez a blokk lényege.

75–80 percMini-teszt, első fele

Mondd el

Most egyedül írtok. Hét perc, segédeszköz csak számológép. Hat kérdés, tíz pont. Aki végzett, nézze át a mértékegységeket.

🎯 Mutasd / csináld
A kivetítőn a hat kérdés és egy visszaszámláló. A válaszokat (kulcs) csak a következő blokkban mutatod meg.
❓ 1. (1 pont) Mekkora f₀, ha m = 10 g, k = 76 kN/m?
Válasz: 439 Hz (438,8 Hz).
❓ 2. (2 pont) m = 5 g, k = 300 kN/m, c = 7,6 N·s/m: mekkora ζ és T₆₀?
Válasz: ζ = 0,098 (1 pont), T₆₀ = 9,1 ms (1 pont).
❓ 3. (1 pont) Mekkora a kritikus csillapítás, ha m = 10 g, k = 76 kN/m?
Válasz: c_krit = 2√(k·m) = 55,1 N·s/m.
❓ 4. (2 pont) Két tömegű fal–szabad láncban mekkora f₂/f₁?
Válasz: 2,618 (= 1,618 / 0,618), vagyis egy oktáv és egy szűk kvart. 1 pont, ha 1,618-at ír, de indokol.
❓ 5. (2 pont) Miért száll el az explicit Euler?
Válasz: a két mintás alakban |a₂| = 1 − 2σT + ω₀²T² kis csillapításnál 1 fölé megy, így a pólus sugara 1-nél nagyobb, és minden mintánál nő a hang, mint a visszacsatolásnál. 1 pont, ha csak annyit ír, hogy „minden lépés túllő”.
❓ 6. (2 pont) Mi a cos szerepe az a₁ = 2r·cos θ együtthatóban?
Válasz: a cos adja a hullám forgási sebességét, vagyis a hangmagasságot: kis θ-nál a₁ ≈ 2, nagyobbnál kisebb. 1 pont, ha csak „a frekvencia”, indoklás nélkül.
Tanársegéd Kiosztod a lapokat (lefordítva már kint vannak), figyeled a csendet, nem segítesz. Fejben jegyzed, hol akadnak el a legtöbben. Az 5. kérdésnél elakadóknak szabad egyetlen tipp: „gondolj arra az együtthatóra, amelyik 1-nél nagyobb lesz.” A teszt idejét nem rövidítjük: csúszásnál a 70–75-ből vágunk.

80–85 percMini-teszt, második fele, lapcsere, kulcs

Mondd el

Tollat le. Cseréljetek lapot a szomszéddal, és javítsatok más színnel. Felolvasom a hat választ és a pontozást. Nem vitatkozunk, a vitás pontozást a szünetben megbeszéljük.

🎯 Mutasd / csináld
A kulcs a lapcsere után jelenik meg (az előző blokk válaszai, vagy a Megoldókulcs kártya). Táblára az értékelési skála: 9–10 kiváló; 7–8 jó; 5–6 megfelelő; 4 vagy kevesebb: nézd át a Megoldások fület.
❓ Mi volt a legnehezebb a tesztben?
Válasz: nincs egyetlen jó válasz. A tapasztalat: leggyakrabban a 2. kérdés (átváltás kimarad), a 4. (1,618-at írnak) és az 5. (magyarázat nélkül „elszáll”) okoz pontvesztést.
Tanársegéd Segítesz a lapcserénél, és a javítás közben figyeled a vitás eseteket (4.: 1 pont, ha 1,618-at ír, de indokol; 5.: 1 pont, ha csak „minden lépés túllő”; 6.: 1 pont indoklás nélküli „frekvencia”). Az óra végén összeszámolod a pontszámok eloszlását az előadónak.

85–90 percLezárás és házi feladat

Mondd el

Ma ugyanazt kiszámoltuk, meghallgattuk és lekódoltuk: egy rezgőt, két és három tömeget, és három módszert egy rezgő számolására. A következő órán a láncot és a valódi hangszereket számoljuk és hallgatjuk.

Mondd el (házi, hasonlat nélkül)

Házi: állítsátok be a Kódok fül 1. kódját az (a), (b) és (c) értékekre, és nézzétek meg a spectroscope~-on, mit mutat. Hasonlítsátok össze a kézzel számolt f₀, ζ és T₆₀ értékekkel. Olvasás: Elmélet, 8–11. pont.

🎯 Mutasd / csináld
A házi feladatot felírod a táblára, és a leadási módját megmondod.
❓ Mi volt ma a legnehezebb?
Válasz: nincs jó vagy rossz válasz. Ha nem szól senki: „sokaknak a két tömeges rész. Ha az volt, a Kérdés-falra felírhatod, melyik lépés.”
❓ A házi kérdése: mit mutat a spectroscope~ a (c) esetben?
Válasz: nincs éles csúcs, mert a fék kritikus: a rezgés nem leng át, csak rövid puffanás hallatszik. Az (a) esetben 439 Hz, a (b)-ben 1233 Hz körül van a csúcs.
Tanársegéd A Kérdés-falról felolvasol egy-két kérdést, a többit átveszed a következő alkalomra. Megbeszéled a házi leadási módját. Ha a hallgatók nem találják a kódot: a Kódok fül 1. kódja. Ha csúszik: a „Mi volt a legnehezebb” egy hallgatóra rövidül.

TanársegédMegoldókulcs

FeladatMegoldás és ellenőrzés
1. feladat (a)m = 0,01 kg, k = 76 000 N/m: f₀ = 438,8 Hz, σ = 2,45 1/s, T₆₀ = 2,82 s, c_krit = 55,1 N·s/m, ζ = 8,9·10⁻⁴.
1. feladat (b)m = 0,005 kg, k = 300 000 N/m, c = 7,6: f₀ = 1232,8 Hz, c_krit = 77,5, ζ = 0,098, σ = 760 1/s, T₆₀ = 9,1 ms.
1. feladat (c)c = 55,1: f₀ = 438,8 Hz, ζ = 0,9993 (majdnem kritikus), T₆₀ = 2,5 ms, c_krit = 55,1. Nincs csengés, puffanás. A demóban a csúszka kb. 87-es állása 55,3 N·s/m.
2. feladat (N = 2)λ = 0,382 és 2,618, f₁ = 271 Hz, f₂ = 710 Hz, f₂/f₁ = 2,618. u₁ = (1; 1,618), u₂ = (1; −0,618). m₁ = 3,618 m, m₂ = 1,382 m. a₂/a₁ = 0,382·0,382 ≈ 0,146 (kb. −17 dB).
3. feladat (házi)gen~ házi (1. kód): (a) 438,8 Hz, T₆₀ ≈ 2,8 s; (b) 1232,8 Hz, 9,1 ms; (c) nincs csengés, rövid puffanás (ζ = 0,9993). Opcionális Python-változat: a relatív eltérés kb. 6·10⁻⁵ (a két kimenet egy mintával eltolva egyezik).
Kód-labor kimeneteExplicit Euler: a kitérés 0,05 s-ig ≈ 2,3 m, 0,5 s-ig ≈ 5·10¹⁶ m (a patchben a clip telítésbe vágja); szemi-implicit és pontos: ≈ 0,036 m (×20 után ≈ 0,7). Sugarak: 1,0019 / 0,99994 / 0,99994.
Mini-teszt (10 pont)(1) 439 Hz, 1 pont. (2) ζ = 0,098 és T₆₀ = 9,1 ms, 1+1 pont. (3) 55,1 N·s/m, 1 pont. (4) 2,618, 2 pont (1 pont, ha 1,618-at mond, de indokol). (5) |a₂| = 1 − 2σT + ω₀²T² kis csillapításnál 1 fölé megy, a pólus sugara 1-nél nagyobb, minden mintánál nő a hang; 2 pont (1 pont, ha csak „minden lépés túllő”). (6) A cos adja a hullám sebességét, a hangmagasságot; 2 pont (1 pont, ha csak „a frekvencia”).
Tanársegéd A kulcs értékeit a demóval ellenőrizd az órán (a kiírt f, ζ, T₆₀ egyezik). Ha egy hallgató eltérő számot kap, először a csúszka lépésközét és a mértékegységet nézd.

TanársegédGyakori tévedések

„A gramm és a kg, a kN/m és az N/m mindegy.” Nem: ez a leggyakoribb hiba. Minden számolás első sora az átváltás SI-egységekre.

„Az f₀ és az ω₀ ugyanaz.” Az f hertz, az ω rad/s, köztük 2π van.

„A T₆₀ számlálója 3.” A hatvan decibel ezerszeres amplitúdóarány, ln 1000 = 6,9, és a σ-val osztunk.

„A két módus frekvenciaaránya 1,618.” Nem: 710/271 = 2,618. Az 1,618 az ω₂/ω₀.

„A pipa csak a rajzot változtatja.” Nem: a pipa a hangot is: csak a bejelölt módusok szólnak, újraütés után.

„A (c) esetben nincs hang.” Nincs csengés, de puffanás van, csak nem szól sokáig.

„Az explicit Euler hibás kód.” Nem hibás, a módszer tulajdonsága: ha az igazi csillapítás kicsi, a numerikus hiba negatív csillapításként viselkedik, és a hang felrobban.

„Az aₙ-nél elég az uₙ(2).” Az ütés és a hallgatás helye is számít: szorzat, ugyanott négyzet.