Явление резонанса
Резонансная новость, резонансный томограф, трансформатор, преобразователь и даже резонансная черта. Что общего у этих словосочетаний? Резонанс — это физический термин или бытовой? Как открытия Галилео Галилея в области маятников и музыкальных струн помогли современным ученым изобрести радио, телевизор и даже смартфоны? Обо всем этом и даже больше мы поговорим в сегодняшней статье.
22 сентября 2022
· Обновлено 23 июня 2023
Колебания и частота
Но сначала нам нужно сделать небольшой шаг назад: прежде чем обсуждать понятие резонанса, вспомним, что такое колебания.
Колебания — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия.
Движение качелей, приливы и отливы, качание маятника — все это примеры колебательного движения.
Виды колебаний
Колебания классифицируют по-разному. Если говорить об их природе, то можно выделить механические и электромагнитные колебания. В обоих случаях происходит периодическое изменение физической величины, только при механических колебаниях это изменение ускорения, скорости и координаты тела, а при электромагнитных — напряжения,силы тока и заряда.
По способу поступления энергии колебания делятся на свободные, вынужденные и автоколебания.
Свободные колебания — колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из положения равновесия. Например: колебание струны гитары, движение шарика на нити, изменение положения качелей или ветки дерева, с которой спрыгнул кот.
Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних периодических сил. К ним можно отнести качание ветки из-за ветра, работу иглы швейной машинки и всех электрических приборов, движение поршня в ДВС.
Автоколебания — незатухающие колебания, которые существуют за счет поступления энергии в систему под ее же управлением. Это и сокращение сердца, и транзисторы, и колебания маятника в часах. Подумайте и ответьте самостоятельно, почему эти примеры нам подходят?
По виду амплитуды колебания делятся на:
гармонические (физическая величина изменяется с течением времени по гармоническому закону — закону синуса или косинуса);
затухающие (колебания, энергия которых уменьшается с течением времени);
незатухающие (колебания, энергия которых с течением времени не изменяется).
Характеристики колебаний
Помимо классификации, колебания характеризуются определенными физическими терминами, которые позволяют описать колебания количественно.
Амплитуда колебаний — максимальное значение смещения или изменения переменной величины.
Если мы рассмотрим волновое движение как пример колебания, то гребни волны (максимальное и минимальное значение функции) будут показывать её амплитуду.
Если мы говорим о движении маятника, то амплитуда — это максимальное расстояние, на которое смещается тело от точки равновесия.
Так как колебания — это повторяющиеся движения, можно говорить о частоте и периоде колебаний.
Период колебаний — это время, за которое происходит одно колебание. В физике обозначается буквой и измеряется в секундах.
где — время колебаний, — количество колебаний.
Частота колебаний — величина, обратная периоду. Она показывает, какое количество колебаний происходит в единицу времени, и измеряется в герцах.
Суть явления резонанса
Теперь мы готовы пойти дальше и выяснить, что такое резонанс в физике.
Резонанс (от лат. resono — откликаюсь) — это достижение максимальной амплитуды колебаний системой.
Как это может произойти? Рассмотрим еще одно определение:
Резонанс в физике — это отклик колебательной системы на периодическое воздействие внешней силы, проявляющееся в синхронизации частот колебаний системы с частотой внешнего воздействия, что влечет за собой явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний этой системы.
Приведем пример резонанса.
Представьте, что ваш маленький братишка или сестренка качается на качелях. Чтобы раскачать их еще сильнее, вы стоите рядом и прикладываете силу, еще больше отталкивая качели из состояния равновесия. Чтобы амплитуда действительно увеличилась, вам необходимо стоять в правильном месте и толкать в верный промежуток времени, иначе ничего не получится.
У вас нет маленьких родственников? Тогда садитесь на качели сами! Даже если вы сильно раскачаетесь, без дополнительного воздействия качели быстро остановятся. А значит, вы должны помогать им раскачиваться, подталкивая их своим телом в правильном направлении, причем в нужную секунду. Таким образом частота ваших движений должна полностью совпадать с частотой колебаний качелей, и тогда можно бесстрашно взмыть под самые небеса!
Резонансная частота — частота вынуждающей силы, равная собственной частоте колебательной системы, при которой достигается максимальная амплитуда.
Резонанс возникает в любых упругих средах: твердых, жидких и газообразных, главное — это наличие резонансной частоты.
На графике представлена зависимость амплитуды от частоты вынуждающей силы. Как мы видим, существует такая частота, при которой достигается максимальное отклонение от точки равновесия. График функции стремительно возрастает, достигает наивысшей точки, а затем также стремительно убывает, а значит, постоянное увеличение частоты не даст лучшее отклонение — здесь важно вовремя остановиться. ��
Явление резонанса может нести как пользу, так и вред: из-за него происходит обрушение зданий и сооружений, но он же является основой, главным фактором в работе музыкальных инструментов.
Виды резонанса
В физике рассматриваются следующие типы резонанса:
Помимо этого, в обычной жизни мы используем такие устойчивые выражения, как общественный и когнитивный резонанс. Давай подробнее рассмотрим все эти виды!
Механический резонанс
Механический резонанс — это резонанс, вызванный механическим воздействием.
Сюда можно отнести наш пример с качелями, а еще раскачивание и обрушение моста под действием ветра.
Существует историческое подтверждение этому явлению: 7 ноября 1940 года двухкилометровый Такомский мост в США полностью обрушился. Порывы ветра отклоняли мост в одну сторону, создавая колебания, которые не могло погасить сопротивление воздуха, и из-за упругости конструкции движение по ветру начиналось вновь и вновь. В конечном итоге амплитуда движения стала настолько большой, что мост не выдержал и рухнул.
Механический резонанс очень часто возникает во время строительства, когда частота колебаний частей объекта совпадает с частотой внешних сил (ветра, рабочих инструментов), поэтому инженеры и строители бдительно следят за этими показателями.
Электрический резонанс
Электрический резонанс — это увеличение токов и напряжений на отдельных участках цепи при изменении частоты гармонического сигнала.
Резонанс в электрических цепях возникает при обмене энергией между емкостными элементами — конденсаторами и индуктивными элементами — катушками, которые включены в данную цепь. Амплитуда достигает максимального значения на определённой частоте, когда индуктивная и ёмкостная составляющие системы уравновешены, и энергии могут свободно циркулировать между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Магнитное поле индуктивного элемента порождает электрический ток, заряжающий конденсатор, а разрядка конденсатора создаёт магнитное поле в катушке. Этот процесс способен повторяться многократно.
Более подробно об этих явлениях вы можете прочитать в нашей статье «Колебательный контур».
Условие возникновения резонанса в электрической цепи можно выразить формулой где — резонансная частота, — индуктивность катушки, — ёмкость конденсатора.
Различают резонанс токов (при параллельном соединении катушки и конденсатора) и резонанс напряжений (при последовательном соединении элементов).
На принципах электрического резонанса функционируют такие приборы, как электрические резонансные трансформаторы, катушка Теслы и многие современные электронные устройства.
Акустический резонанс
С исследования именно этого вида резонанса всё и началось! Галилео Галилей в 1602 году исследовал маятники и струны различных музыкальных инструментов. Открытия, сделанные им, позволили сделать ряд выводов и создать новую отрасль физики — учение о звуковых колебаниях.
Акустический резонанс — это явление, при котором акустическая система усиливает звуковые волны, частота которых совпадает с одной из ее собственных частот вибрации (ее резонансными частотами).
Благодаря акустическому резонансу музыкальные инструменты способны работать, воспроизводить звучание особенным образом. Большую роль в этом играет форма инструмента. Звук, который издает струна, попадает внутрь корпуса и вступает там в резонанс со стенками, что в итоге многократно усиливает его. Грушевидная форма гитары, определенная длина флейты, форма барабана не являются результатом случайного выбора — с древних времен, путем проб и экспериментов, именно это строение каждого инструмента было выбрано из-за наилучшего акустического резонанса.
Характеристики струны также влияют на этот показатель: акустический резонанс зависит от длины, массы и силы натяжения струны.
Формула для расчета частоты резонанса в акустике:
где — частота резонанса, — сила натяжения, — масса единицы длины струны, а m — полная масса струны.
Акустический резонанс играет большую роль и для нашего слуха. Благодаря нему наружное ухо усиливает звуки средней частоты, составляющие основную часть спектра речи, а также различает высоту звука и его тембр.
Общественный резонанс — событие, на которое общество дает яркий отклик.
Когнитивный резонанс — полное совпадение во взглядах и мнениях.
Многие слова и устойчивые выражения, которые мы используем в повседневной жизни, основаны на физических явлениях и законах. Резонанс, инерция, энергия, напряжение и многие другие термины встречаются нам ежедневно, но знаем ли мы, что они на самом деле означают?
Приходите на онлайн-курсы физики школы Skysmart: на них вы научитесь не только мастерски обращаться с научной терминологией, но еще и станете настоящим экспертом в исследовании мира через призму физики! А заодно подготовитесь к экзаменам и повысите оценки в школе.
Звуковой резонанс
Явление резонанса возникает в колебательных системах любой природы. Но наиболее часто наблюдается явление акустического (звукового) резонанса. Рассмотрим его подробнее.
Резонанс в колебательных системах
Напомним, что резонанс – это резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний, когда подводимая частота приближается к собственной частоте колебаний системы. Именно при этом создаются наилучшие условия подведения энергии к системе.
Рис. 1. Явление резонанса.
Звуковой резонанс
Для наблюдения явления звукового резонанса необходимо иметь звуковую колебательную систему с возможностью подведения к ней энергии с частотой близкой к ее собственной частоте колебаний. Простейшим случаем такой системы является струна акустической гитары. Зажимая струну на разных ладах, можно изменять частоту ее собственных свободных колебаний.
Кажется естественным, что ударяя по одной струне – нельзя заставить колебаться другую. Но это не совсем так.
Колеблющаяся струна создает вокруг себя звуковые колебания своей частоты. Эти воздушные колебания воздействуют и на другие струны, но, поскольку их собственные частоты отличаются, то создаются неблагоприятные условия подведения энергии к другим струнам. Например, первая (самая тонкая) струна популярной шестиструнной гитары настраивается на частоту 330 Гц. А вторая струна – на частоту 245 Гц. Ударяя по второй струне – мы никак не сможем заметно колебать первую струну.
Кроме одного случая – когда вторая струна зажата на пятом ладу. В этом случае удар по ней приведет к тому, что колебаться будет не только она. Через полсекунды будет заметно и колебание первой струны.
Рис. 2. Резонанс струн гитары.
Что происходит ?
Колебания второй струны вызывают акустические колебания воздуха с частотой ее собственных колебаний. Колебания воздуха действуют и на первую струну. Однако, поскольку ее собственная частота заметно отличается от подводимой частоты, результирующие вынужденные колебания имеют очень малую амплитуду.
Зажимая вторую струну на пятом ладу, мы изменяем частоту ее собственных колебаний (фактически, немного уменьшая массу колеблющейся части струны). И теперь эта частота становится очень близка к собственной частоте колебаний первой струны. Создаются наиболее благоприятные условия для подведения энергии колебаний к первой струне, возникает звуковой резонанс, и первая струна начинает колебаться так сильно, что это становится заметно на глаз.
Воздушные резонаторы
Поскольку звуковые колебания хорошо распространяются в воздухе, любые полости с воздухом обладают собственными частотами свободных колебаний. Звуковые волны, отражаясь от одной границы полости, двигаются к другой границе, отражаются от нее, двигаются обратно, снова отражаются – возникают свободные колебания некоторой частоты. Теперь, если к полости подводить звук с такой частотой – возникнет акустический резонанс, и результирующая громкость звука значительно возрастет.
Резонирующие свойства звуковых полостей широко используются не только строителями концертных залов, но и Природой – звуковоспроизводящие органы всех живых существ (в том числе человека) имеют такие полости-резонаторы.
Рис. 3. Голосовые резонаторы.
Что мы узнали?
Наиболее часто явление резонанса наблюдается для звука. Любая воздушная полость обладает некоторой собственной резонансной частотой и способна к акустическому резонансу. Такие полости используются в концертных залах, такие полости есть в звуковоспроизводящих органах всех живых существ.
Отражение звука. Эхо. Звуковой резонанс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «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.
Звуковой резонанс
Рассмотрим явление резонанса звуковых колебаний. Обрати внимание!
При резонансе амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. Пример:
Допустим, вы шагаете по тонкой доске, перекинутой через речку. Когда частота ваших шагов совпадет с частотой или периодом всей системы (доска-человек), то доска начинает сильно колебаться (гнуться вниз и вверх). Если вы продолжите двигаться такими же шагами, то резонанс вызовет сильную амплитуду колебания доски, которая выходит за пределы допустимого значения системы, и это в конечном счете приведет к неминуемой поломке мостика. Резонанс может быть вызван и действием звуковых волн.
Возьмём два камертона с одинаковыми собственными частотами и поставим их рядом, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, навстречу друг другу (рис. 1). Ударяя резиновым молоточком по левому камертону, приведём его в колебание, а затем приглушим пальцами. Мы услышим звук, издаваемый правым камертоном, который отзывается на колебания левого камертона.
Звуковые волны, образованные левым камертоном, дойдя до правого камертона, возбуждают в нём вынужденные колебания. Поскольку собственные частоты колебаний камертонов одинаковы, то имеет место резонанс: правый камертон колеблется с наибольшей возможной амплитудой и издаёт звук.
None При наличии на правом камертоне муфты его собственная частота колебаний меняется, и амплитуда колебаний уменьшается настолько, что звука мы не услышим.
Обрати внимание! Ящики, на которых установлены камертоны (резонаторы), способствуют усилению звука и наиболее полной передаче энергии от одного камертона к другому.
Усиление звука происходит за счёт колебаний самого резонатора и, особенно, столба воздуха в нём. Размеры резонатора подбирают таким образом, чтобы собственная частота воздушного столба в нём совпадала с частотой колебаний камертона. При этом столб воздуха колеблется в резонанс с камертоном, то есть амплитуда его колебаний и соответственно громкость звука достигают наибольших значений.
Камертон, снабжённый резонатором, издаёт более громкий, но менее длительный звук (по закону сохранения энергии). Обрати внимание!
В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. 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 (рис. 2).
Рис. 2Тембр звука музыкального инструмента зависит не только от формы и размера резонатора, но и от того, из какого дерева он изготовлен, и даже от состава лака, покрывающего его. Тембр определяется также материалом, из которого сделана струна, и тем, гладкая она или витая.
Резонаторы имеются и в голосовом аппарате человека. Источники звука в голосовом аппарате — голосовые связки (рис. 3).
Они приходят в колебание благодаря продуванию воздуха из лёгких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их натяжения. Этот звук богат обертонами.
Гортань усиливает те из обертонов, частота колебаний которых близка к её собственной частоте. Дальше звуковые волны попадают в полость рта. Полости глотки, рта, носа являются как бы продолжением гортани и называются верхними (головными) резонаторы. Те резонаторы, которые находятся ниже гортани – в грудной клетке — трахея, бронхи — нижние резонаторы (грудные).
Для произнесения каждой гласной необходимо особое положение губ, языка и определённая форма резонаторной полости во рту.
Каждый, кто мало-мальски профессионально играет на акустической гитаре или скрипке, знает, как важен материал, из которого изготовлен инструмент, и его окраска. И важно это совсем не для того, чтобы инструмент выглядел красиво, а для правильного звукоизвлечения. Почему же так важен корпус? Как он влияет на свойства звука?
Чтобы ответить на этот вопрос надо вспомнить, что такое явление резонанса. Когда колебания какой-либо колебательной системы совпадают с вынуждающими колебаниями, происходит их резкое усиление. В этом заключается явление резонанса. А так как звук это тоже колебания, то логично предположить, что явление резонанса не чуждо и звуку. И это так.
Например, если расположить рядом два камертона и легонько стукнуть по одному из них, то приглушив его, можно услышать, как издает звук и другой, которого не касались. Это происходит вследствие того, что второй камертон попадает в резонанс с первым и его колебания резко возрастают. Так осуществляется звуковой резонанс.
Звуковой резонанс в гитаре
Вернемся к гитаре. Звук, издаваемый самой гитарной струной не слишком громкий. Для того, чтобы усилить этот звук, струны располагают поверх корпуса, который делают специальной формы и размера.
В середине корпуса обязательно имеется отверстие круглой формы для выхода звука. Звук струны, попадая внутрь корпуса, резонирует и усиливается, отчего гитара звучит намного громче.
Настройка гитары – это также пример явления звукового резонанса. Если настроить первую струну по камертону, а потом зажать вторую струну на определенном ладу (опредлеленная нота) и дернуть ее, то можно увидеть, как первая струна слегка поддергивается (при условии, что гитара настроена правильно).
От качества дерева, из которого изготовлена гитара, зависит не только сила, но и чистота, и тембр извлекаемого звука. Влияет на это и покраска, и лак на дереве. Именно поэтому изготовить качественную гитару или скрипку совсем не просто, и качественные инструменты стоят больших денег. Так, явление звукового резонанса из физики перекочевало в иные сферы и плотно там обосновалось.
Интерференция звука
Звук, как и любые другие колебания, может не только резонировать, но и создавать более сложные картины. Например, в случае, когда мы имеем звуковые колебания одной частоты и разности фаз, будет происходить интерференция звука.
Колебания будут складываться, и суммарная звуковая волна будет зависеть от того, как расположены по отношению друг к другу волновые фазы. В точках, где фазы волн будут одинаковы, их амплитуда будет максимальна, а в противофазе их амплитуда будет равна нулю.
То есть будут места, где звук будет очень громким, а в некоторых местах будет стоять тишина, несмотря на прохождение через это место звуковых волн. Но это можно наблюдать в основном в лаборатории, так как в жизни практически не приходится встречать подобные ситуации, когда мы имеем звуковые волны одинаковых частот и разности фаз без присутствия посторонних звуков.
Нужна помощь в учебе?
Предыдущая тема: Отражение звука и эхо: что это, как услышать, где лучше всего?
Следующая тема: Графическое изображение магнитного поля: неоднородное и однородное
| Твитнуть | Нравится | Нравится |
Все неприличные комментарии будут удаляться.
Звуковой резонанс — это совпадение частоты внешней вынуждающей силы (акустической волны) с собственной частотой, что приводит к резкому ее увеличению. Явление резонанса тесно связано со способностью звука отражаться, о чем подробнее поговорим в статье. Кроме того, расскажем о звучащей каменной глыбе, о поющем нечеловеческим голосом доме. Приведем и другие примеры проявления звукового резонанса, объясним их причины.
Опыт с камертонами
Акустическая волна подобна качелям: если толкать их как попало, сбиваясь с ритма, то высоко она не взлетит. Важность совпадения частоты (ритма) легко можно увидеть в эксперименте с двумя камертонами. Возьмем те, что имеют одинаковую частоту, и поставим довольно близко друг от друга.
Ударим молоточком по ножкам первого — он зазвучит, и очень скоро заставит звучать другой. Почему это произойдет? Второй инструмент будет приведен в движение (раскачан) звуковой волной.
Когда первый замолчит, второй будет издавать звук еще некоторое время. Вот как возникает звуковой резонанс. Если проделать опыт на камертонах разной частоты, мы увидим, что они не резонируют.
Музыкальные инструменты
Гитарная или скрипичная струна сама по себе звучит не очень громко и вряд ли будет слышна в концертном зале. Звук во много раз усиливается благодаря корпусу инструмента — резонатору. И раструб духовых инструментов, и корпус струнных, клавишных инструментов — например, дека рояля, являются резонаторами.
Они собирают слабые звуки и увеличивают их амплитудой основной звук (по принципу качели). В результате инструмент звучит громко, а еще от резонатора зависят тембр, глубина, мягкость или резкость тона.
Отражение звука
Звуковой резонанс возможен благодаря отражению волны. Рассмотрим это свойство звука подробнее. Акустическая волна, добежав до препятствия, которым может быть любое тело, возвращается назад.
Знакомое всем эхо — это и есть волна, отраженная от удаленного предмета. Почему удаленного? Дело в том, что препятствие должно располагаться достаточно далеко, чтобы человек мог отличить звук от источника и отраженный звук.
Так, в помещении средних размеров, например, в комнате квартиры, эха не будет. Все потому, что время, через которое волна, отразившись от стен, возвращается, слишком мало. Несмотря на это, отчетливо слышно, что звук гулкий, громкий.
Если завесить все стены коврами или покрыть другими звукоизолирующими материалами, звук станет глухим, сухим, даже неприятным. В случаях, когда важна звонкость, нужно позаботиться о том, от чего будет отражаться акустическая волна. Звукового резонанса без этого не будет.
Помещение как резонатор
Качество звучания в помещении особенно важно для театров, филармоний. Есть даже особый раздел акустики — архитектурная акустика. Она решает проблемы проектирования залов с хорошей слышимостью.
«Правильное» помещение и само является резонатором. Подобные залы имеют округлые потолок и стены, благодаря чему звук доходит до каждого зрителя, слушателя.
Надо заметить, что форма помещения – вогнутая, а не выпуклая. Последняя не подходит, т. к.
при отражении волны под углом большая часть звука рассеивается и не возвращается. При вогнутой форме стен звук возвращается почти по той же траектории, что и распространяется, т. е.
«Поющий» камень
Недалеко от Баку, столицы Азербайджана, есть пустыня со знаменитым «поющим» камнем. Он настолько известен, что получил имя — «Каменный бубен». Эта удивительная глыба имеет свойство: если ударить по ней камнем, то звук получается такой же громкий и чистый, как у колокола. Как же физика объясняет этот пример звукового резонанса?
Удар приводит к краткосрочной деформации — тут же от точки столкновения во все стороны бегут звуковые волны. На скорость их расхождения размеры камня не влияют. Однако волна может свободно распространяться только в неограниченном пространстве.
А ведь мы знаем, что камень и воздух имеют границы (там, где они соприкасаются). Когда волна добегает до рубежа, она частично проходит в другую среду — из камня в воздух. Оставшаяся часть акустической энергии отражается в обратном направлении.
От чего зависит звучание
Чем больше разнятся скорости звука в воздухе и камне, тем лучше отражение. Так, в граните звук расходится со скоростью 4×10 м/с, в воздухе — 3,3×10 м/с. Следовательно, в воздух выйдет незначительное количество энергии, а основная часть будет «закрыта» внутри камня. «Поющая» глыба лежит на других камнях, у нее слабая акустическая связь с землей, ведь она касается грунта лишь в нескольких местах. Получается, что звук не может выйти в землю. Подобные предметы, способные заключить внутри себя колебательную энергию, называются резонаторами. Что же происходит в середине «поющего» камня при ударе? Волны множество раз отражаются от его стенок, уменьшаются или увеличиваются при звуковом резонансе. Усиление бывает тогда, когда волна, отразившись, возвращается в той же фазе, в которой она начинала свой пробег.
Таинственный дом
В «Рассказах о старой Москве» А. Вьюркова описывается звучащий страшным голосом дом. Главный герой произведения Иван Павлович решил разбогатеть обманным путем.
Он нанял бригаду каменщиков, чтобы те построили ему доходный дом, и не заплатил им всей обещанной суммы. Вскоре арендаторы стали один за другим покидать гостиницу, потому что были напуганы нечистой силой, которая выла нечеловеческим голосом. Иван Павлович обратился в полицию, и городовые остались в засаде на ночь.
Их постигла та же участь, что и квартиросъемщиков. В пустых комнатах раздавались жуткие вздохи и вой. Стражи порядка в ужасе покинули здание со страшным домовым.
Иван Павлович остался без денег и без жильцов. Ему нечем было выплачивать проценты по кредиту, поэтому имущество и его самого арестовали. По прошествии времени один из подрядчиков раскрыл Ивану Павловичу секрет мистического дома. Оказывается, что обманутые рабочие решили отомстить: они замуровали в стену пустые бутылки, которые звучали при каждом порыве ветра, пугая постояльцев.
Резонатор Гельмгольца
Удивительные свойства пустых сосудов человечество знает давно. Античные архитекторы при строительстве театра использовали знания о звуковом резонансе: закладывали в стены сосуды из бронзы, чтобы голос актеров звучал громче. В акустике широко применяются резонаторы Гельмгольца.
Гельмгольц — это немецкий ученый, который обосновал теорию слуха с физической точки зрения. С помощью набора резонаторов, названных в его честь, можно анализировать сложные звуки по частоте колебаний волны.
Как же работает резонатор? Он представляет собой шарообразный или в форме бутылки сосуд с узким горлышком. Весь секрет состоит в звуковом резонансе колебаний воздуха, который находится внутри.
Звуковая волна сложная. Она состоит из множества колебаний. Но каждый из резонаторов лучше всего отзывается на ту частоту, которая равна его собственной, т.
е. частоту колебания воздуха, заключенного в полости. От чего она зависит?
Если резонатор меньше длины звуковой волны, то его принцип действия такой же, как у пружинного маятника. Воздух в узком горлышке движется намного быстрее, чем в самом резонаторе. Именно колебания в горлышке сосуда играют главную роль.
Получается, что кинетическая энергия сосредоточена преимущественно в этом узком месте. Упругую энергию несет масса воздуха, находящаяся внутри резонатора.
Воздуха в горлышке гораздо меньше, чем внутри, поэтому изменением его объема во время колебаний принято пренебрегать. Условно считается, что вся эта масса передвигается как единое целое, как воздушная пробка, а объем воздуха внутри резонатора меняется сильно. Получается, что воздух внутри работает как пружина в колебательной системе.
Его приток перекрывает путь в сосуд другому воздуху, а отток понижает давление и препятствует выпусканию воздуха изнутри. Когда воздушная пробка идет вниз, она сжимает близлежащий слой воздуха внутри резонатора, т. е.
повышает его плотность. В результате растущее давление приводит в движение следующий слой воздуха, потом еще один и т. д.
Теперь понятно, что причиной жутких голосов в доходном доме был звуковой резонанс. Вой ветра и другие шумы с улицы — это неупорядоченные гармонические колебания разной частоты. Их называют чистыми тонами.
При прохождении через стену все частоты, кроме резонансных, слабели. Резонансные частоты — это те, что совпадали с частотами воздуха в пустых сосудах. Более того, они могли даже усилиться.
Городовые впадали в панику, потому что слышали несвойственные человеку и живым существам звуки. Дело в том, что наша речь звучит на частоте, гораздо большей 100 герц, а «домовой» издавал необычно низкие звуки.
Полная электрическая схема дана на рисунке 16 (см. приложения). С первого взгляда любая схема кажется сложной и запутанной.
Но этого не следует бояться, сложна она только вначале. . .
1.1 Резонанс
Резонанс (франц. resonance, от лат. resono — звучу в ответ, откликаюсь), явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний в какой-либо колебательной системе.
Резонанс
В одном из научных журналов Тесла рассказывал об опытах с механическим осциллятором, настроив который на резонансную частоту любого предмета, его можно разрушить. В статье Тесла говорил, что он подсоединил прибор к одной из балок дома. .
. Поверхностный ядерный магнитный резонанс.
1. Ядерный магнитный резонанс
Поверхностный ядерный магнитный резонанс.
2. Поверхностный ядерный магнитный резонанс
Поверхностный ядерный магнитный резонанс, его методы и приложения широко развивались последние 15 лет. Использование обычного ядерного магнитного резонанса ограничено теми фактами…
1. Резонанс Шумана
Резонансные явления в линейных и нелинейных электрических цепях и их использование в цепях.
2. РЕЗОНАНС В ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
Резонансные явления в линейных и нелинейных электрических цепях и их использование в цепях.
2.2.1 Резонанс напряжений
В электрической цепи, содержащей катушки индуктивности L и конденсаторы C, возможны свободные гармонические колебания энергии между магнитным полем катушки: (2. 13) и электрическим полем конденсатора: . (2.
14) Угловая частота этих колебаний wo. . .
2.2.2 Резонанс токов
Резонанс в цепи с параллельным соединением источника энергии и реактивных элементов L и C получил название резонанса токов. Простейшая схема такой цепи показана на рис. 8.
. Резонансные явления в линейных и нелинейных электрических цепях и их использование в цепях.
2.2.3 Резонанс в разветвленной цепи
Возникновение резонанса токов возможно в разветвленной цепи с параллельным соединением индуктивного, емкостного и резистивного сопротивлений. При известном напряжении питания , значение общего тока в комплексной форме будет равно: где(2. 38) (2.
. . Резонансные явления в линейных и нелинейных электрических цепях и их использование в цепях.
3. РЕЗОНАНС В НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
Резонансные явления в линейных и нелинейных электрических цепях и их использование в цепях.
3.3 Параметрический резонанс в нелинейном контуре
Параметрическим резонансом называется явление возбуждения колебаний за счет периодического изменения энергоемкого параметра колебательной системы. Легче всего явление параметрического резонанса наблюдается…
2.4 Акустический резонанс
Звуковые колебания, переносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызвать в этих системах явление резонанса, т. е . заставить их звучать.
Приведем простой пример. . .
7.Звуковой барьер
Звуковой барьер в аэродинамике — название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её. Распространение ударной волны. .
. Ультразвук и его применение.
2.2.5. Акустический резонанс
Резонансом называется резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающих колебаний к частоте свободных колебаний. Резонансные явления можно наблюдать на механических колебаниях любой частоты…