17. Скорость звука. Отражение звука. Эхо (Иванова М. Г.)

Эхо

Мы знаем, что в пустом помещении, в горах или под сводами здания или арки можно наблюдать явление эха. Что это такое? Эхо — это явление отражений звуковых волн от плотных объектов. Когда человек может услышать эхо? Человеческий слуховой аппарат различает два звуковых сигнала, когда запаздывание между ними во времени .

Рассчитаем расстояние до объекта, от которого будет отражаться волна. Скорость распространения волн в воздухе . Перемножая скорость звука на величину запаздывания, получаем:

Но мы понимаем, что отражение — это движение волны вначале в одну сторону, её отражение, а затем движение в другую сторону. Поэтому расстояние, которое мы получили, можно спокойно разделить пополам:

Если поставить человека на этом расстоянии от преграды, от которой будет отражаться звук, то он сможет услышать эхо.

Для появления эха необходима ещё и хорошая отражающая поверхность. Если взять достаточно большую комнату, но она будет заставлена большим количеством мебели и в ней будет много людей, то все эти объекты будут поглощать звуковую волну, а значит, эхо будет неразличимо. Энергии звуковой волны не хватит, чтобы вызвать это явление.

Где эхо используется? Конечно, занимательно слушать эхо в горах, петь под музыкальными арками, но есть реальные устройства, которые используют это свойство. Например, рупор. Если сложить ладошки, как показано на рис. 2, и сказать что-либо, то вы услышите, что ваш звук стал мощнее, хотя для людей, которые стояли бы сбоку от вас, он был бы тише. Стенки рупора усиливают звуковую волну, увеличивая мощность сигнала.

Следующий прибор — эхолот. Это составное слово, полученное из двух: «эхо» – «отражение», «лот» — прибор, который измеряет глубину водоёма. У рыбаков лот — это простой камень на верёвке. У людей, которые плавают на больших суднах, эхолот устроен следующим образом. Под бортом корабля располагается приёмник и источник звуковых волн. От источника звуковых волна идёт звуковая волна, доходит до дна, отражается и попадает в приёмник звуковых волн. Фиксируется время, которое проходит между подачей сигнала и приходом его обратно. Расстояние, которое получается исходя из вышеприведённой формулы, делится пополам, и так находится глубина водоёма.

Используются эхолоты не только на звуковых частотах, но и на инфразвуке или на ультразвуке. Принцип один — использование явления отражения звуковых волн.

Звуковой резонанс

Рассмотрим ещё одно звуковое явление — звуковой резонанс. Напомним, что это явление увеличения амплитуды вынужденных колебаний, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы.

Вспомним, что любая система, которая может колебаться, имеет свою частоту. Эта частота сформирована конструкцией прибора. Если мы этот прибор заставим колебаться с внешней силой, которая имеет частоту вынужденных колебаний , произойдёт усиление звуковых колебаний. Увеличение амплитуды влечёт за собой усиление звука, его энергетической мощности.

Чтобы объяснить явление резонанса, мы будем работать со специальным прибором, который используется в музыке, — камертоном.

Вилочка сделана из стали, имеет свою частоту, соответствующую в этом опыте ноте ля. К этому камертону путём математических вычислений подобран специальный резонаторный ящик. Что это за ящик?

Резонаторный ящик увеличивает амплитуду результирующих колебаний. Как он это делает? Он перераспределяет энергию, которая сообщалась системе. Камертон вызывает в резонаторном ящике колебание самой деки ящика и воздуха внутри него. Колебания складываются и усиливают звук. При этом закон сохранения энергии выполняется, то есть с резонаторным ящиком камертон звучит меньше по времени, но сильнее.

Как можно прекратить звуковое колебание? Если коснуться ножек камертона, коэффициент затухания у данной системы станет очень большим, колебание прекратится практически мгновенно.

Что произойдёт, если взять точно такой же (имеющий точно такую же звуковую частоту) второй камертон? Резонаторные ящики направляем друг к другу, чтобы воздушный зазор был незначительным и колебания не затухали, а эффект был максимальный. Вызываем колебания во втором камертоне. Звуковая волна распространяется в пространстве, и, если частота такая же, как у первого камертона, должен возникнуть резонанс: частоты совпадут, произойдёт увеличение амплитуды.

Откликается система на внешнее колебание избирательно, выбирая только ту частоту, на которую сама настроена. Если изменить частоту колебаний одного из камертонов (просто прикрутить муфточку), то изменится по массе тело, которое колеблется, и у него изменится частота. Поэтому резонанса не будет.

Домашнее задание

1. Что такое резонанс? Почему происходит это явление?

2. Почему опасно кричать в горах?

3. Какие существуют способы усиления звука?

4. Приведите примеры использования звукового резонанса.