Отражение волн. Звуковой резонанс. Интерференция звука

Ревет ли зверь в лесу глухом,

Трубит ли рог, гремит ли гром,

Поет ли дева за холмом —

На всякий звук

Свой отклик в воздухе пустом

Родишь ты вдруг.

А. С. Пушкина «Эхо»

В прошлой теме речь шла о звуковой волне.

Звуковые волны – это упругие продольные волны, которые, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают определенные (слуховые) ощущения.

Звуковые волны распространяются с конечной скоростью, которая зависит от особенностей среды: плотности, упругости, температуры.

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, длина волны и др. Но, кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это — громкость звука, высота тона и тембр.

Сегодня мы завершаем тему — «Колебания и волны» — интересными явлениями. Это отражение волн и звуковой резонанс. А также интерференция звука.

Известно, что в пустом помещении, в горах или под сводами здания какой-нибудь арки можно наблюдать замечательное явление — эхо. Что такое эхо?

Поэтичную легенду про эхо создали древние греки. В лесах Эллады, на берегах светлых ручьев, жила прекрасная нимфа по имени Эхо. Ее наказала Гера, жена всесильного Зевса: молчать должна была нимфа Эхо, а отвечать на вопросы она могла, лишь повторяя последние слова.

Однажды в густом лесу заблудился прекрасный юноша Нарцисс, сын речного бога Кефиса и нимфы Лаврионы. С восторгом глядела Эхо на стройного красавца, скрытая от него лесной чащей. Нарцисс огляделся кругом не зная, куда ему идти, и громко крикнул:

– Эй, кто здесь?

– Здесь! – раздался громкий ответ Эхо.

– Иди сюда! – крикнул Нарцисс.

– Сюда! – ответила Эхо.

С изумлением смотрел прекрасный Нарцисс по сторонам. Никого нет. Удивленный этим, он громко воскликнул:

– Сюда, скорей ко мне!

И радостно откликнулась Эхо:

– Ко мне!

Протягивая руки, спешит к Нарциссу нимфа из леса, но гневно оттолкнул ее прекрасный юноша. Никого не любил он, кроме одного себя, лишь себя считал достойным любви. Ушел он поспешно от нимфы и скрылся в темном лесу. Спряталась в лесной чаще и отвергнутая нимфа. Страдает от любви к Нарциссу, никому не показывается и только печально отзывается на всякий возглас...

Но это всего лишь печальная древнегреческая легенда. Посмотрим на эхо с точки зрения современной физики.

Эхо— это явление отражения звуковых волн от плотных объектов.

Когда человек может услышать эхо? Оказывается, чтобы человек смог различить эхо (а точнее, его слуховой аппарат смог различить два сигнала), необходимо, чтобы запаздывание во времени было 0,06 с. Произведём расчёт: скорость распространения волны в воздухе составляет 340 м/с, поэтому можно рассчитать расстояние до объекта, от которого будет отражаться волна. Должно быть понятно: при перемножении скорости на величину запаздывания получаем

Однако необходимо помнить, что отражение — это изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Поэтому расстояние, которое получилось, необходимо разделить пополам.

Тогда, если поставить человека на расстояние 10,2 м от преграды, от которой будет отражаться звук, то он сможет услышать эхо.

Достаточно ли находиться на этом расстоянии от преграды, что бы услышать эхо?

Каждый сталкивался с ремонтом в квартире или доме. И все знают, что во время ремонта по комнатам гуляет эхо, которое наиболее отчетливо слышно в больших комнатах. Но что происходит, когда мы оклеим стены, внесем в комнату мягкую мебель и другие предметы интерьера? Эхо исчезает. Все дело в том, что предметы интерьера поглощают звуковые волны. Поэтому, для того, что бы было возможно услышать эхо, необходимо иметь хорошо отражающую поверхность.

На свойстве звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора — расширяющейся трубы обычно круглого или прямоугольного сечения. При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается и он распространяется на большее расстояние.

Известно, что амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом. Например, довольно тяжелый нитяной маятник можно сильно раскачать, если периодически дуть на него (даже очень слабой струей) в направлении его движения с частотой, равной его собственной частоте.

Резонанс может быть вызван и действием звуковых волн. Чтобы пронаблюдать это, проделаем следующий опыт. Поставим рядом два одинаковых камертона А и В, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, навстречу друг другу. Ударяя резиновым молотком по камертонуА, приведем его в колебание, а затем приглушим пальцами. Теперь можно услышать звук, издаваемый камертоном В, который отзывается на колебания камертона А.,

Изменим период колебания камертона В, надев на его ножку небольшую муфточку. Повторив опыт, обнаружим, что теперь камертон В уже не отзывается на колебания камертона А.

Ящики, на которых установлены камертоны, способствуют усилению звука и наиболее полной передаче энергии от одного камертона к другому. Усиление звука происходит за счет колебаний самого ящика и особенно столба воздуха в нем.

В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. Например, в гитаре, скрипке и других подобных им струнных инструментах резонаторами служат деки, которые усиливают издаваемые струнами звуки и придают звучанию инструмента характерную для него окраску— тембр. Тембр звука зависит не только от формы и размера резонатора, но и от того, из какого дерева он изготовлен, и даже от состава лака, покрывающего его.

Резонаторы имеются и в нашем голосовом аппарате. Источники звука в голосовом аппарате — это голосовые связки. Они приходят в колебание благодаря продуванию воздуха из легких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их натяжения.

Рассмотрим еще одно интересное явления, связанное с волнами — это интерференция.

Интерференция является характерным признаком волновых процессов любой природы. Она возникает при наложении, так называемых, когерентных волн.

Когерентные волны — это волны одинаковой частоты и с постоянной разностью фаз.

Рассмотрим суть интерференции звуковых волн. Пусть в некоторых когерентных источниках колебания происходят в одинаковых фазах. Волны от этих источников до исследуемой точки М распространяются в однородной среде. От точки S₁ приходит в точку волна:

А от источника S₂

Где r₁ и r₂ — это расстояния от источников до исследуемой точки М. Для нахождения амплитуды результирующей волны в точке М, возникающей в результате наложения этих волн, воспользуемся методом векторных диаграмм.

Амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз, которая в свою очередь, как видно, зависит от геометрической разности хода.

Для когерентных волн, в точках пространства, где , интенсивность звуковой волны будет больше суммы интенсивностей двух волн . И наоборот в точках пространства, где , интенсивность звуковой волны будет меньше суммы интенсивностей двух волн .

Следовательно, при наложении двух когерентных волн происходит пространственное перераспределение энергии по волновому фронту, в результате чего в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей максимумов и минимумов интенсивности звуковых волн.

Таким образом, если разность хода равна целому числу длин волн, то интенсивность звука будет максимальная. Это значит, что в одних точках (куда волны приходят в одинаковых фазах) звуковые колебания всегда происходят с наибольшей амплитудой. Благодаря этому звук в этих точках самый громкий.

Если разность хода равна целому числу длин полуволн, то интенсивность звука будет минимальная. Волны приходят в противофазе и ослабляют друг друга, поэтому в этих местах звука нет. В остальных точках пространства колебания происходят с амплитудами, которые меньше суммы амплитуд волн 1 и 2. Причем каждой точке соответствует своя, не меняющаяся со временем амплитуда.

Таким образом, интерференция — это явление наложения в пространстве когерентных волн, в результате которого наблюдается устойчивая во времени картиначередования максимумов и минимумов интенсивности звуковых волн.

Основные выводы:

– Эхо— это явление отражения звуковых волн от плотных объектов.

– Интерференция является характерным признаком волновых процессов любой природы. Она возникает при наложении когерентных волн.

– Когерентные волны — это волны одинаковой частоты и с постоянной разностью фаз.

– Интерференция — это явление наложения в пространстве когерентных волн, в результате которого наблюдается устойчивая во времени картина чередования максимумов и минимумов интенсивности звуковых волн.

– В тех точках, куда волны приходят в одинаковых фазах звуковые колебания всегда происходят с наибольшей амплитудой. Благодаря этому звук в этих точках самый громкий.

– Если разность хода равна целому числу длин полуволн, то интенсивность звука будет минимальная. Волны приходят в противофазе и ослабляют друг друга, поэтому в этих местах звука нет.