Отражение звука. Звуковой резонанс
Любой источник звука совершает колебательное движение. Эти колебания распространяются в пространстве посредством звуковых волн, обладающих некоторой скоростью. Скорость звука зависит от того, в какой среде идет распространение, а если мы говорим о звуковых волнах в газах, то их скорость зависит еще и от температуры этого газа. Например, скорость звука в воздухе при $0 \degree C$ составляет $332 \frac{м}{с}$, а при $20 \degree C$ — $343 \frac{м}{с}$.
На данном уроке мы рассмотрим, что происходит со звуковыми волнами, когда на пути их распространения оказываются какие-либо препятствия, объясним явление эха и познакомимся с явлением звукового резонанса.
Отражение звука
Рассмотрим, что происходит, когда на пути распространения звуковой волны оказывается плоская твердая поверхность, например, стена.
Звуковая волна, распространяющаяся в воздухе, является продольной. Она представляет собой чередующиеся сжатия и разрежения молекул (рисунок 1).
Постепенно передаваясь от одного слоя воздуха к другому, сгущение доходит до воздушного слоя, который вплотную прилегает к поверхности стены. Молекулы этого слоя, совершая колебание, ударяются о стену. Оттолкнувшись от нее, молекулы образуют новую волну сгущения, которая будет распространяться в обратном направлении — от стены. Этот процесс называется отражением звука.
Можно изобразить звуковую волну в виде дуг. На рисунке 2 дугами голубого цвета изображена звуковая волна, идущая от источника, — падающая волна. Она отражается от стены и двигается в обратную сторону: отраженная звуковая волна показана розовыми дугами.
Отражение звука — это явление возвращения звуковой волны, падающей на границу раздела двух упругих сред, в ту же среду, из которой пришла падающая волна.
Обратите внимание, что когда звуковая волна натыкается на препятствие, происходит как ее отражение, так и ее поглощение материалом препятствия. Так, через стену, в другую комнату все равно будет проникать часть звука (рисунок 3).
Хорошо отражают звук гладкие твердые поверхности. Например, чем массивнее и толще стена, тем меньше она пропускает через себя звук. И наоборот, чем стена тоньше/легче/мягче, тем хуже будет от нее отражаться звук.
Угол отражения звуковой волны
Для того, чтобы проверить, как именно отражается звуковая волна, рассмотрим небольшой опыт. Для него нам понадобится источник звука и приемник. Эти роли будут выполнять динамик и микрофон (рисунок 4). Также нам понадобиться специальный прибор, который будет регистрировать звуковые волны. Мы подключим к нему микрофон, и, когда до него будет доходить звук, стрелка прибора будет отклоняться в сторону. Чем громче звук, тем сильнее отклонение стрелки прибора.
Расположим динамик и микрофон таким образом, чтобы между ними было расстояние в $1 \space м$ и они находились по некоторым углом друг к другу (рисунок 5). Включим динамик. На данным момент прибор не регистрирует звук, волны не доходят до микрофона.
Теперь на предполагаемом пути звуковой волны поставим экран (гладкую пластину из плотного материала). Поворачивая его под разными углами, найдем такое положение, когда отраженный звук будет попадать на микрофон (рисунок 6). Зафиксируем экран в том положении, когда стрелка регистрирующего прибора будет отклоняться на максимальное значение.
Теперь можно сделать чертеж (рисунок 7). Проведем линию, указывающую направление распространения звука от источника (динамика Д) до экрана (Э) — падающий звук. Следом проводим линию, вдоль которой распространялся отраженный звук. В точку падения звуковой волны O опускаем перпендикуляр OA. Угол между этим перпендикуляром и падающим звуком — угол падения $\alpha$. Угол между перпендикуляром и отраженным звуком — угол отражения $\beta$.
Из нашего чертежа видно, что угол падения равен углу отражения: $\alpha = \beta$.
Эхо
Можем ли мы самостоятельно без каких-либо электронных приборов услышать отраженные звуковые волны? Дело в том, что можем — мы воспринимаем эхо. Это звуковое явление образуется в результате отражения звука, например, от стен большого пустого помещения, сводов высокой арки (рисунок 8), от стволов больших деревьев в лесу и др.
Эхо — это отраженная от твердых поверхностей звуковая волна, принятая наблюдателем.
Но мы не услышали эхо, когда проводили опыт с отражением звука, не слышим мы его и в небольших квартирах, хотя отражение идет и от стен, и от потолка, и от предметов мебели. Дело в том, что эхо мы слышим лишь в том случае, когда отраженный звук воспринимается отдельно от первоначального. Для этого необходимо, чтобы промежуток времени между воздействием этих двух звуков на барабанную перепонку составлял не менее $0.06 \space с$.
Для примера рассчитаем, через какое время после короткого возгласа отраженный от стены звук достигает наших ушей (рисунок 9). Расстояние до стены — $3 \space м$.
Звуковая волна пройдет расстояние до стены ($3 \space м$) и обратно (еще $3 \space м$). Итого весь путь будет равен $6 \space м$. Распространяется звук со скоростью $343 \frac{м}{с}$. Тогда на распространение звука потребуется время $t$:
$t = \frac{s}{\upsilon}$,
$t = \frac{6 \space м}{343 \frac{м}{с}} \approx 0.02 \space с$.
Это время $t = 0.02 \space с$ и есть интервал между воспринимаемыми нами произнесенным и отраженным звуками. Он оказался меньше, чем $0.06 \space с$, поэтому мы не слышим эхо. Кроме того мебель и другие предметы, находящиеся в комнате, частично поглощают отраженный звук. Поэтому в наших обычных жилых помещениях человеческая речь и другие звуки не искажаются эхом и звучат достаточно четко и разборчиво.
Если же имеется несколько отражающих поверхностей, но они находятся на больших расстояниях друг от друга, то отраженные от них звуковые волны дойдут до наших ушей за разное время. Так мы можем услышать многократное эхо. Например, мы слышим многократное эхо во время грозы — раскаты грома.
Реверберация звука
В больших помещениях звуковые волны отражаются намного лучше. В итоге, мы слышим не только звук, создаваемый источником, но и его многократные отражения. Интервал времени между этими звуками очень мал, поэтому мы не можем слышать их отдельно друг от друга. Они начинают восприниматься как увеличение длительности первоначального звука.
Реверберация — это эффект увеличения длительности звука из-за его отражения от различных препятствий.
Например, время реверберации звука в Колонном зале Дома Союзов в Москве составляет около $1.75 \space с$, когда он наполнен людьми, и около $4 \space с$ — когда он пуст.
Иногда реверберацию используют специально для придания звуку глубины и различных оттенков, но если она оказывается слишком велика, то мы получаем неприятный гул в большом помещении. Поэтому часто для улучшения звуковых свойств больших залов их стены отделывают звукопоглощающими материалами (рисунок 10).
Рупор
На свойстве отражения звуковых волн от гладких поверхностей основано действие рупора (рисунок 11). Самый просто рупор представляет собой расширяющуюся трубу круглого сечения.
При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны. Вместо этого образуется узконаправленный пучок. Это позволяет увеличить мощность звука. Так он распространяется на большее расстояние.
Звуковой резонанс
Рассмотрим еще одно интересное явление, связанное с отражением звуковых волн — звуковой (или акустический) резонанс.
При резонансе амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. Например, когда вы идете по доске, перекинутой через яму, она начинает колебаться в такт вашим шагам. Если частота ваших шагов совпадает с частотой собственных колебаний доски, то она резко набирает амплитуду и будет так сильно раскачиваться, что удержаться на ней станет невозможно (рисунок 12). В этом случае нужно просто поменять темп шага.
Опыт
Механический резонанс может быть вызван и звуковыми волнами. Для того, чтобы пронаблюдать это явление, проведем следующий опыт.
Возьмем два одинаковых камертона A и B. Они обладают одинаковыми собственными частотами — $\nu_0$. Камертоны закреплены на специальных ящиках. Поставим их рядом таким образом, чтобы отверстия ящиков были обращены друг к другу (рисунок 13).
Ударим молоточком по камертону A. его ветви начнут колебаться и издавать звук. Остановим его пальцами, заглушив колебания. Мы услышим, что теперь звук издает камертон B. То есть, звуковые волны от камертона A вызвали колебания ветвей камертона B (рисунок 14).
Наденем на ножку камертона B специальную небольшую муфту. Таким образом мы изменим период колебаний камертона. Повторим опыт. Снова ударяем по камертону A и глушим его. Теперь от камертона B мы не слышим никакого звука, он не отозвался на колебания камертона A (рисунок 15).
В чем же причина? В первом случае мы наблюдали звуковой резонанс. Звуковые волны от камертона A выступают в роли вынуждающей силы. Их частота $\nu_0$ — это та самая собственная частота обоих камертонов. В итоге, камертон B начинает колебаться с максимальной возможной амплитудой и издает звук. А когда мы надели на него муфту, то изменили не только период, но и собственную частоту. Теперь она стала равна $\nu$. Поэтому во втором случае частоты не совпали. Колебания ветвей камертона B происходили с настолько маленькой амплитудой, что звук стало невозможно услышать.
Резонаторы
Ящики, на который установлены камертоны в предыдущем опыте, называются резонаторами (рисунок 16).
Они предназначены для усиления звука — наиболее полной передаче энергии от одного камертона к другому. Это происходит за счет колебаний самого ящика и особенно столба воздуха в нем. Размеры такого ящика определяются специальным образом. Собственная частота колебаний воздушного столба в нем должна совпадать с частотой колебаний ветвей камертона. Таким образом столб воздуха в ящике будет колебаться в резонанс с камертоном. Амплитуда его колебаний, которая определяет громкость звука, будет в этом случае достигать наибольшего значения.
Камертон с резонатором будет издавать более громкий, но менее длительный звук (по закону сохранения энергии).
Чтобы лучше понять принцип действия резонатора, рассмотрим еще один опыт. Закрепим на штативе камертон, а под ним расположим сосуд с водой. В воду опустим широкую стеклянную трубку так, чтобы ее верхнее отверстие находилось под камертоном (рисунок 17).
Перемещая трубку вверх и вниз в сосуде с водой, мы сможем регулировать величину воздушного столба в ней. Заставим ветви камертона колебаться. Перемещая трубку, найдем такое ее положение, когда звук будет наиболее громким. В этом случае на колебания камертона отзывается воздушный столб в трубке. Собственная частота его колебаний совпала с частотой колебаний камертона — мы наблюдаем звуковой резонанс. Резонатором здесь является стеклянная трубка.
Для камертона резонатор — это деревянный ящик, открытый с одного конца, а для многих струнных музыкальных инструментов резонатором является часть корпуса — дека (рисунок 18). Она усиливает издаваемые струнами звуки, а также придают звучанию инструмента определенную окраску — тембр.
В голосовом аппарате человека тоже имеются резонаторы. Источниками звука являются голосовые связки, колеблющиеся при прохождения воздуха (рисунок 19). Резонаторами будут выступать наша гортань, а далее полость нашего рта. Для произнесения тех или звуков необходимо особое положение губ и языка, которые придадут форму резонаторной полости у нас во рту.
Задание
Придумайте, с помощью каких предметов (кроме камертонов на резонаторных ящиках) можно продемонстрировать явление звукового резонанса. Проделайте придуманный вами опыт, опишите ваши действия и наблюдаемые результаты.
Посмотреть пример опыта
Скрыть
Опыт:
Возьмем два одинаковых стеклянных бокала A и B, наполним их наполовину водой (рисунок 20). На края бокала B положим легкую пластиковую соломинку для питья.
Смоченным в воде пальцем начнем водить по краям бокала A. Это движение вызовет колебания стенок бокала и мы услышим звук. Эти звуковые волны достигнут бокала B и вызовут его колебания. Собственные частоты бокалов одинаковые, поэтому бокал B войдет в резонанс. От этих колебаний с бокала B упадет соломинка.
Если в бокалы налить разное количество воды, то соломинка не упадет с одного из них. В этом случае собственные частоты будут разные, резонанс не произойдет.
Часто задаваемые вопросы
Эхо образуется в результате отражения звука от твердых поверхностей. Оно не возникает в маленькой комнате, заполненной мебелью, потому что интервал между произнесенным и отраженным звуками оказывается меньше $0.06 \space с$. В этом случае человеческое ухо не может эти звуки по отдельности, только вместе. К тому же мебель и другие предметы интерьера частично поглощают отраженный звук.
Для улучшения звуковых свойств больших помещений их стены и потолок отделывают звукопоглощающими материалы.
При использовании рупора звуковые волны образуют узконаправленный пучок. За счет этого увеличивается мощность звука, и он распространится на большее расстояние.
Если включить в комнате громкую музыку, то может начать вибрировать стеклянная посуда. Некоторые оперные певицы, увеличивая высоту своего голоса при пении (значит, повышая частоту этого звука) могут добиться того, что стеклянный бокал лопнет.
Резонаторные ящики камертонов служат для усиления звука. Резонаторы в музыкальных инструментах усиливают издаваемые ими звуки и задают их тембр.
Источником голоса человека являются голосовые связки.
Хотите оставить комментарий?
Войти