Отражение звука. Эхо. Звуковой резонанс

На прошлом уроке мы с вами затрагивали вопрос о распространении звуковых волн. Давайте вспомним, что звуковые волны — это упругие продольные волны, которые, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают слуховые ощущения. Для распространения звуковых волн необходимо наличие среды. То есть в вакууме звуковые волны распространяться не могут.

— А что произойдёт, если на пути звуковой волны появится препятствие?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим ситуацию, когда на пути звуковой волны встаёт плоская твёрдая поверхность, например, стена. Так как звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения, то, передаваясь от одного слоя молекул воздуха к другому, сгущение дойдёт до воздушного слоя, прилегающего к поверхности стены. Получив толчок, частицы этого слоя ударятся о стену, оттолкнутся от неё и образуют новую волну сгущения, бегущую в обратном направлении. Этот процесс называют отражением звука.

В большинстве случаев плоские твёрдые поверхности отражают около девяносто пяти процентов звука. Однако какой бы жёсткой ни была стена, стоящая на пути звуковой волны, всё равно часть звука проникает внутрь. Чем массивнее стена, тем меньше она пропускает звук. И наоборот, чем стена тоньше, легче и мягче, тем слабее отражается от неё звук.

Ослабление звуковой волны называют поглощением звука.

Чтобы показать, что звук действительно отражается от преград, проведём такой опыт. Возьмём в качестве источника звука громкоговоритель. Приёмником звука нам будет служить микрофон, соединённый с осциллографом — прибором, позволяющим регистрировать звук. Поставим громкоговоритель и микрофон на расстоянии метра под некоторым углом друг к другу. Включим источник звука — прибор звук не регистрирует.

А теперь на пути звуковой волны поставим экран. При некотором его положении прибор покажет, что звук попадает в микрофон.

Если провести линии, указывающие направление распространения звука от источника к экрану и от экрана к приёмнику, а также восставить перпендикуляр в точку падения звуковой волны, то не трудно заметить, что угол падения равен углу отражения.

Поскольку при взаимодействии звуковой волны со стеной волна отражается, то возникает закономерный вопрос: можем ли мы услышать эту отражённую звуковую волну?

Оказывается, можем, но только в том случае, когда между первоначальным и отражённым звуками проходит не менее 1/15 секунды. Это звуковое явление хорошо знакомо всем, и его называют эхом.

Эхо можно услышать в горах, в больших пустых помещениях и так далее. Однако в обычных жилых помещениях мы эхо не слышим. Давайте посмотрим почему. Итак, предположим, что мы находимся в обычной комнате на расстоянии 3 метров от стены. Звук нашего голоса должен пройти расстояние от нас до стены и обратно, то есть шесть метров. Если принять, что скорость звука равна 340 м/с, то время, которое затратит звуковая волна на преодоление этого расстояния, составит порядка 0,2 секунды. Как видим, интервал между двумя воспринимаемыми звуками значительно меньше того, который необходим, чтобы услышать эхо.

Но то, что мы не слышим эха в обычной комнате, не означает, что мы не слышим отражение звука от её стен. Дело в том, что в закрытых помещениях, кроме звука, создаваемого источником, мы слышим и его многократные отражения. Однако из-за очень малого значения интервала времени между этими отражениями мы не можем их различить как отдельные звуки, а воспринимаем это как увеличение длительности первоначального звука.

Эффект увеличения длительности звука из-за его отражения от различных препятствий называют реверберацией.

Например, в одном из лучших в акустическом плане зале — Колонном зале Дома Союзов в Москве — время реверберации составляет около 1,75 секунды, когда он наполнен публикой, и около 4 секунд в пустом.

Если отражающих поверхностей много, и они находятся на разных расстояниях, то отражённые звуковые волны дойдут до ушей в разное время. В этом случае эхо будет многократным.

Именно многократным эхом и объясняются раскаты грома во время грозы.

На свойствах звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора, изобретённого в 1670 году Сэмюелем Морландом. Рупор представляет собой расширяющуюся трубу, чаще круглого или прямоугольного сечения. При его использовании, звук распространяется не по всем направлениям, а образует узконаправленный пучок. За счёт этого его мощность усиливается, и он способен преодолеть большее расстояние.

Некоторые представители животного мира способны ориентироваться в пространстве издавая направленные ультразвуковые колебаний и воспринимать их после отражения от препятствий. Это, например, летучие мыши, дельфины, птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы, и стрижи-саланганы, живущие в пещерах Юго-Восточной Азии.

Мы уже упоминали, что способ определения местоположения тел по отражённым от них ультразвуковым сигналам называется эхолокацией. Она широко используется в мореплавании для определения косяков рыбы, глубины дна водоёма и его рельефа. Для этих целей на днище судна помещается излучатель и приёмник звука. Излучатель посылает короткие ультразвуковые сигналы. А компьютер, анализируя время задержки и направление отражённых сигналов, распознаёт размер объекта и определяет его положение.

Теперь поговорим ещё об одном интересном звуковом явлении — об акустическом резонансе. Вы уже знаете, что резонанс возникает тогда, когда частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. В этом случае происходит увеличение до наибольшего значения амплитуды установившихся вынужденных колебаний.

Например, если рукой дёргать шнур в такт его собственным колебаниям, то со временем можно заметить увеличение амплитуды колебаний.

Резонанс может быть вызван и звуковыми колебаниями. Например, если влажный палец двигать по краю бокала, то бокал будет издавать звенящие звуки. Хотя это и незаметно, палец движется прерывисто и передаёт стеклу энергию короткими порциями, заставляя бокал вибрировать.

Стенки бокала также начинают вибрировать, если на него направить звуковую волну с частотой, равной его собственной. Если амплитуда станет очень большой, то бокал может даже разбиться.

Проведём ещё один опыт. Возьмём два камертона с одинаковой собственной частотой колебаний и поставим их так, чтобы отверстия ящиков, на которых они укреплены, смотрели друг на друга. Ударим молоточком по одному из камертонов. Он зазвучит. Затем приглушим его, прикоснувшись к нему рукой. Мы услышим звучание другого камертона. Это происходит из-за того, что второй камертон начинает совершать колебания под действием звука, созданного колебаниями первого камертона. Так как частоты собственных колебаний камертонов одинаковы, то возникает резонанс: амплитуда колебаний второго камертона становится достаточно большой, чтобы звучание было слышно.

Если изменить собственную частоту колебаний второго камертона, например, надев на него резиновое колечко, то он не будет отзываться на колебания звучащего камертона, и явления резонанса не произойдёт.

А теперь давайте посмотрим, какую роль играют ящики, на которых устанавливают камертоны. Для этого проделаем такой опыт. Укрепим в лапке штатива камертон, а под ним поставим сосуд с водой.

Поместим в воду широкую стеклянную трубку и заставим вибрировать над её отверстием камертон. Вынимая постепенно трубку из воды, мы будем увеличивать столбик воздуха в ней. При определённой длине столба воздуха мы отчётливо услышим звук. Если же продолжать вынимать трубку, то звук станет ослабевать, пока совсем не перестанет быть слышимым. В этом случае на колебания камертона отзывается воздушный столб в сосуде. Очевидно, что наиболее громкое звучание воздушного столба наступает, когда собственная частота его колебаний совпадает с частотой колебаний камертона. Это и есть условие резонанса. Такой закрытый с одного конца сосуд называют резонатором.

Для камертона резонатором служит деревянный ящик, открытый с одного конца. В музыкальных инструментах — это деки, которые усиливают издаваемые струнами звуки и придают звучанию инструмента характерный тембр.

У человека также имеются резонаторы — это гортань и полость рта, усиливающие издаваемые им звуки. Существует выражение: «От громкого голоса дрожали стёкла». Здесь имеется ввиду возникновение акустического резонанса. Известен исторический факт, когда по причине резонанса при пении Фёдора Ивановича Шаляпина дрожали (то есть резонировали) даже хрустальные подвески люстр.