44. Звукові хвилі. Швидкість звуку.

Гучність звуку та висота тону.

Луна. Акустичний резонанс.

Акустичний резонанс.

Резонансні явища можна спостерігати на механічних

коливаннях будь частоти, зокрема і на звукових коливаннях.

Приклад звукового або акустичного резонансу ми маємо в

наступному досвіді. Поставимо поруч два однакових

камертону, звернувши отвори ящиків, на яких вони укріплені, один до одного (мал. 40). Ящики потрібні тому, що вони підсилюють звук камертонів. Це відбувається внаслідок

резонансу між камертоном і стовпом повітря, укладеного в ящику; по-цьому ящики називаються резонаторами або

резонансними ящиками. Детальніше ми пояснимо дію цих ящиків нижче, при вивченні поширення звукових хвиль у

повітрі. У досвіді, який ми зараз розберемо, роль ящиків чисто допоміжна.

Вдаримо один з камертонів і потім приглушить його пальцями. Ми почуємо, як звучить другий камертон.

Візьмемо два різних камертону, тобто з різною висотою тону, і повторимо досвід. Тепер кожен з камертонів вже не

буде відгукуватися на звук іншого камертону.

Рис. 40. Резонанс камертонів неважко пояснити цей результат. Коливання одного камертона A) діють через повітря з

деякою силою на другий камертон B), змушуючи його робити вимушені коливання. Так як камертон 1 вчиняє

гармонійне коливання, то й сила, що діє на камертон 2, буде змінюватися за законом гармонійного коливання з

частотою камертона 1. Якщо частота сили та ж, що і власна частота камертона 2, то має місце резонанс - камертон 2

сильно розгойдується. Якщо ж частота сили інша, то вимушені коливання камертона 2 будуть настільки слабкими, що

ми їх не почуємо.

Так як камертони мають не дуже велике загасанням, то резонанс у них гострий. Тому вже невелика різниця між

частотами камертонів призводить до того, що один перестає відгукуватися на коливання іншого. Достатньо, наприклад,

приклеїти до ніжок одного з двох однакових камертонів шматочки пластиліну або воску, і камертон вже будуть

засмучені, резонансу не буде. Ми бачимо, що всі явища при вимушених коливаннях відбуваються у камертонів так

само, як і в дослідах з вимушеними коливаннями вантажу на пружині.

Якщо звук являє собою ноту (періодичне коливання), але не є тоном (гармонійним коливанням), то це означає, як

ми знаємо, що він складається з суми тонів: найбільш низького (основного) і обертонів. На такий звук камертон повинен

резонувати кожного разу, коли частота камертона збігається з частотою небудь з гармонік звуку. Досвід можна зробити

зі спрощеної сиреною і камертоном, поставивши отвір резонатора камертона проти переривчастою повітряного

струменя. Якщо частота камертона дорівнює 300 Гц, то, як легко переконатися, він буде відгукуватися на звук сирени не

тільки при 300 перериваннях в секунду (резонанс на основний тон сирени), але і при 150 переривання - резонанс на

перший обертон сирени, і при 100 перериваннях - резонанс на другий обертон, і т. д.

Неважко відтворити зі звуковими коливаннями досвід, аналогічний досвіду з набором маятників. Для цього

потрібно лише мати набір звукових резонаторів - камертонів, струн, органних труб. Очевидно, струни рояля або піаніно

утворюють якраз такий і притому дуже великий набір коливальних систем з різними власними частотами. Якщо,

відкривши рояль і натиснувши педаль, голосно проспівати над струнами якусь ноту, то ми почуємо, як інструмент

відгукується звуком тієї ж висоти і східного тембру. І тут наш голос створює через повітря періодичну силу, що діє на всі

струни. Однак відгукуються тільки ті з них, які знаходяться в резонансі з гармонійними коливаннями - основним і

обертонами, що входять до складу заспіваною нами ноти.

Таким чином, і досліди з акустичним резонансом можуть служити прекрасними ілюстраціями справедливості

теореми Фур'є.

Графік ідеалізованого власного коливання являє собою синусоїду або косинусоїду. Однак у будь-якій реальній

коливальній системі, внаслідок неминучості дії сил тертя й опору, власні коливання згасають, тобто їх амплітуда

зменшується з часом.

У природі і техніцідуже часто реалізуються не власні, а вимушені коливання, тобто коливання під дією зовнішньої

(змушуючої) сили. Приклади: вимушені коливання здійснюють дерева і фрагменти споруд під натиском вітру; підлога

машинного залу на заводі; міст під ногами людей, мембрана мікрофона та ін.

Вимушені коливання можуть бути незгасаючими, якщо зовнішня дія буде компенсувати зменшення енергії в

системі, викликане дією сил тертя й опору.

Особливим проявом дії змушуючої сили є явище резонансу—стрімкого (різкого) зростання амплітуди вимушених

коливань за умови збігу частоти власних коливань системи (або ) і частоти (або ), з якою змінюється

змушуюча сила.

Приклад перших проявів руйнівної дії резонансу: руйнування підвісних мостів через річкуЛуару у Франції

наприкінці XIX ст. та в Росії на початку ХХ ст. через річку Фонтанка. У першому випадку солдати крокували по мосту в

ногу, у другому —гарцювали кінні гренадери.

Для послаблення шкідливої дії резонансу в техніці використовують гасителіколивань (демпфери), гумові та

повстяні прокладки.

Але резонанс може бути не тільки шкідливим. Приклади корисних проявів резонансу: підсилення звуку

музичними інструментами (корпус гітари, міхи баяна), настроювання радіоприймача на частоту потрібної радіостанції.Розділ «Електромагнітні коливанн і хвилі»