"Физика", Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Звук распространяется в виде волн и может отражаться от препятствий, возвращаясь к слушателю. Если отражённая волна приходит с задержкой, её слышно как эхо; по времени возвращения эха можно определить расстояние до преграды. Звуковой резонанс возникает, когда частота звука совпадает с собственной частотой тела: его колебания усиливаются. Резонаторы используют это явление, чтобы сделать звучание музыкальных инструментов громче.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Отражение звука — возвращение звуковой волны от границы раздела сред. Волна не исчезает при встрече с преградой: часть её энергии может направиться обратно. Это понятие помогает объяснить, почему звук после преграды иногда слышен повторно.
Эхо — отражённый от преграды звук, который воспринимается отдельно от исходного. Для этого отражение должно прийти с заметной задержкой: если промежуток слишком мал, два звука сливаются. Понятие эха используют, например, чтобы определить расстояние до препятствия.
Звуковой резонанс — резкое увеличение амплитуды колебаний тела под действием звука, частота которого совпадает с собственной частотой тела. Амплитуда показывает, насколько сильно тело отклоняется от положения равновесия. Резонанс объясняет, почему некоторые тела или части музыкальных инструментов начинают звучать особенно сильно.
Резонатор — тело или система, усиливающие звук благодаря резонансу. В музыкальном инструменте резонатором может служить полость с воздухом: звуковая волна вызывает колебания воздушного столба, и звук усиливается. Резонатор помогает сделать звучание громче, но сам по себе не заменяет источник звука.
Звук распространяется в среде как волна: частицы воздуха, воды или твёрдого тела передают колебания соседним частицам. Когда волна достигает границы двух сред или препятствия, часть энергии может отразиться, а часть — пройти дальше или поглотиться. Какая доля вернётся, зависит от свойств границы и обеих сред: например, от их плотности и способности поглощать звук. Поэтому гладкая твёрдая поверхность обычно отражает звук лучше, чем мягкий материал.
Отражённая волна движется обратно и может попасть к источнику звука или слушателю. Если она приходит достаточно поздно, ухо различает её как отдельный звук — эхо; при небольшой задержке отражение смешивается с исходным звуком. Значит, для слышимого эха нужны не только отражающая поверхность, но и подходящее расстояние до неё. В помещении звук может многократно отражаться от стен, пола и потолка, создавая более сложное звучание.
Эхо позволяет оценить расстояние до преграды, если известны скорость звука и время возвращения отражения. За это время волна успевает пройти путь от слушателя до препятствия и обратно, поэтому общий путь равен vt, где v — скорость звука, а t — измеренная задержка. До преграды звук проходит только половину этого пути. Следовательно, расстояние находят по формуле s = vt / 2; скорость нужно выбирать для той среды, в которой распространяется звук.
Собственная частота тела — частота его свободных колебаний после того, как его вывели из равновесия. Когда на тело действует звук с такой же частотой, каждый новый толчок приходится на подходящий момент колебания. Поэтому энергия от звуковой волны передаётся особенно эффективно, и амплитуда возрастает. Если частоты различаются, толчки не складываются так согласованно, и резкого резонансного усиления не происходит.
Резонатор усиливает звук за счёт колебаний заключённого в нём воздуха. Звуковая волна заставляет воздушный столб колебаться, а при подходящей частоте возникает резонанс. В духовых инструментах длина и форма воздушного столба влияют на его собственные частоты и, следовательно, на звучание. Так инструмент может звучать громче благодаря резонатору, хотя источник колебаний — например, колеблющаяся струя воздуха или трость — находится отдельно.
| Явление | Причина | Что наблюдается | Пример применения |
|---|---|---|---|
| Отражение звука | Звуковая волна встречает границу сред или препятствие | Часть волны возвращается в исходную среду | Устройство акустики помещений |
| Эхо | Отражённый звук приходит с заметной задержкой | Отдельно слышен повтор исходного звука | Измерение расстояния до преграды |
| Звуковой резонанс | Частота звукового воздействия совпадает с собственной частотой тела | Амплитуда колебаний тела резко увеличивается | Усиление звучания музыкальных инструментов |
| Резонанс в воздушном столбе | Звуковая волна вызывает резонансные колебания воздуха в полости | Звук становится громче | Резонаторы духовых инструментов |
Сначала определите, какой процесс описан: возвращение волны, отдельное восприятие эха или усиление колебаний. Затем сверьте причину с наблюдаемым результатом. Примеры применения показывают, как эти явления используют на практике.
Человек услышал эхо через 2 с после крика. Скорость звука равна 340 м/с. Нужно определить расстояние до преграды. Время относится к движению звука и до препятствия, и обратно, поэтому найденный полный путь нельзя принимать за расстояние до стены.
Эхолот послал звуковой сигнал и принял отражение через 0,8 с. Скорость звука в воде равна 1500 м/с. Требуется найти глубину водоёма. Здесь сигнал идёт от прибора ко дну и обратно, а распространяется он в воде, поэтому используем именно скорость звука в воде.
Камертон с частотой 440 Гц звучит рядом с резонатором. Нужно объяснить, почему звук становится громче, и предсказать результат, если частота камертона не совпадает с собственной частотой резонатора. Чтобы ответить, сравним частоту звукового воздействия с частотой, при которой резонатор сам способен особенно сильно колебаться.
Не делят путь на два при расчёте расстояния по эху. Так происходит, когда время задержки принимают за время движения только до преграды. Но отражённый звук должен вернуться к слушателю, поэтому он проходит путь туда и обратно. Проверьте себя: если рассчитанный путь — весь маршрут звука, расстояние до препятствия вдвое меньше.
Считают, что эхо возникает при любом отражении звука. Эту ошибку допускают, потому что отражённая волна действительно появляется у многих преград. Однако для отдельного восприятия она должна вернуться с заметной задержкой; иначе ухо сольёт её с исходным звуком. Проверьте условие задачи: говорится ли о повторном, отдельно слышимом звуке?
Сводят резонанс просто к громкому звуку. Громкость может увеличиться и по другим причинам, например из-за близости источника. Резонансом называют усиление колебаний именно при совпадении частоты воздействия с собственной частотой тела. Проверьте себя: в объяснении должны быть названы обе частоты и их совпадение.
Думают, что резонатор сам создаёт звук. Ошибка возникает из-за того, что после включения резонатора звучание становится заметно громче. На самом деле резонатор получает энергию от источника и усиливает вызванные им колебания. Чтобы проверить объяснение, найдите отдельный источник звука и укажите роль резонатора.
Для понимания темы нужно знать, что такое звуковая волна и как она распространяется в разных средах. При расчётах важны скорость звука в воздухе или воде, а при объяснении резонанса — частота и амплитуда колебаний. Эти знания помогают связать наблюдаемое эхо с движением волны, а усиление звука — с передачей энергии колеблющемуся телу.
Применения темы встречаются в ультразвуковых приборах и эхолокации: отражённый сигнал помогает обнаружить объект или измерить расстояние до него. Знание отражения звука также используют при устройстве акустики помещений, чтобы управлять звучанием. Резонанс объясняет, почему воздушные полости музыкальных инструментов усиливают звук.
Почему в некоторых местах слышно эхо, а в других нет?
Эхо различимо, если отражённый звук возвращается с заметной задержкой и успевает отделиться от исходного. Поэтому оно чаще слышно там, где есть достаточно удалённая и хорошо отражающая звуковые волны преграда. В небольших помещениях отражение обычно сливается с исходным звуком.
Как по времени возвращения эха определить расстояние до преграды?
Нужно умножить скорость звука на время между исходным звуком и эхом, а полученный путь разделить на два. Звук проходит расстояние до преграды и обратно. Формула: s = vt / 2.
Почему при расчёте расстояния по эху нужно делить путь на два?
Измеренное время относится ко всему пути звуковой волны: от источника до преграды и назад. Преграда находится только в конце пути туда, поэтому расстояние до неё вдвое меньше общего пути. Если не разделить путь на два, ответ получится в два раза больше.
Что должно совпасть, чтобы возник звуковой резонанс?
Частота звуковых колебаний должна совпасть с собственной частотой тела — частотой, с которой оно колеблется свободно. Тогда звук особенно эффективно передаёт телу энергию, и амплитуда его колебаний резко возрастает.
Как резонатор усиливает звук музыкального инструмента?
Звук заставляет колебаться воздух внутри резонатора. Если частота звука подходит к собственной частоте воздушного столба, возникает резонанс и колебания усиливаются. Поэтому звучание инструмента становится громче, хотя сам резонатор не создаёт звук.
§ 33 Отражение звука. Звуковой резонанс
