Номер 3, страница 164 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

3. Почему при использовании рупора звук распространяется на большее расстояние?

3. Почему при использовании рупора звук распространяется на большее расстояние?

Звук распространяется на большее расстояние при использовании рупора по двум основным причинам: концентрация звуковой энергии и согласование акустического импеданса.

1. Концентрация энергии. Источник звука, например, человеческий голос, без рупора излучает звуковые волны во все стороны (сферически). Энергия звука распределяется по все большей площади сферы по мере удаления от источника. Интенсивность звука $I$ убывает обратно пропорционально квадрату расстояния $r$ от источника: $I \propto 1/r^2$. Рупор имеет коническую или экспоненциальную форму, которая не позволяет звуковым волнам свободно расходиться во все стороны. Вместо этого он собирает звуковую энергию и направляет ее в виде узкого пучка в определенном направлении. Вся энергия, которая без рупора распределилась бы по большой сфере, концентрируется в пределах небольшого телесного угла. В результате интенсивность звука в этом направлении на том же расстоянии от источника оказывается значительно выше, и звук можно услышать с гораздо большего расстояния, прежде чем его интенсивность упадет ниже порога слышимости.

2. Согласование акустического импеданса. Акустический импеданс — это мера сопротивления, которое среда оказывает распространению звуковых волн. Для эффективной передачи энергии от источника звука к среде их импедансы должны быть согласованы. Голосовые связки человека создают звук в небольшом объеме гортани, где акустический импеданс высок. Импеданс окружающего открытого воздуха значительно ниже. Из-за этого несоответствия большая часть звуковой энергии отражается обратно и не излучается в пространство. Рупор действует как акустический трансформатор. Его узкая часть, прилегающая к источнику звука (рту), имеет высокий импеданс, близкий к импедансу источника. По мере расширения рупора его импеданс плавно уменьшается, и у широкого открытого конца он становится близким к импедансу воздуха. Такое плавное согласование обеспечивает гораздо более эффективную передачу звуковой энергии от источника в окружающую среду, что делает звук громче.

Ответ: Рупор концентрирует звуковую энергию в определенном направлении, не давая ей рассеиваться во все стороны, и обеспечивает лучшее согласование акустического сопротивления между источником звука и окружающей средой, что приводит к более эффективной передаче энергии и увеличению дальности распространения звука.

4. Приведите примеры проявления звукового резонанса, не упомянутые ранее

Звуковой резонанс — это явление, при котором частота внешнего звукового воздействия совпадает с собственной частотой колебаний какой-либо системы (резонатора), что приводит к резкому увеличению амплитуды колебаний этой системы. Вот несколько примеров:

• Корпуса струнных музыкальных инструментов. Корпус гитары, скрипки или виолончели является акустическим резонатором. Когда исполнитель заставляет струну колебаться, эти колебания передаются через подставку на корпус инструмента. Воздух внутри корпуса и сам материал корпуса имеют свои собственные резонансные частоты. Если частота колебаний струны (или ее гармоник) совпадает с одной из этих частот, корпус начинает сильно вибрировать в ответ, значительно усиливая звук и обогащая его тембр.

• Резонанс в духовых инструментах. В таких инструментах, как флейта, кларнет или труба, столбик воздуха внутри инструмента действует как резонатор. Музыкант создает колебания у одного конца трубки (с помощью губ или трости), а столб воздуха резонирует на определенных частотах, которые зависят от его длины. Изменяя эффективную длину столба воздуха (нажимая на клапаны или изменяя положение кулисы), музыкант изменяет резонансную частоту и, следовательно, высоту извлекаемого звука.

• Резонатор Гельмгольца. Простой пример — это звук, который возникает, если подуть на горлышко пустой бутылки. Воздух в "горлышке" бутылки представляет собой массу, а воздух в объеме бутылки — упругий элемент. Вместе они образуют колебательную систему со своей резонансной частотой. Когда вы дуете поперек горлышка, вы создаете вихри (широкий спектр частот), и система резонирует на своей собственной частоте, издавая низкий гудящий звук.

• Пение в душе или в пустой комнате. Жесткие, гладкие стены ванной комнаты хорошо отражают звук, создавая условия для возникновения стоячих волн и резонанса. Когда человек поет, некоторые ноты (частоты) могут совпасть с резонансными частотами помещения. В этот момент звук этих нот кажется значительно громче и объемнее, потому что звуковые волны, многократно отражаясь от стен, складываются в фазе и усиливают друг друга.

• Резонанс двух камертонов. Если взять два одинаковых камертона, ударить по одному из них, заставив его звучать, и поднести его близко ко второму (не звучащему), то через некоторое время второй камертон тоже начнет звучать. Звуковые волны от первого камертона действуют как вынуждающая сила с частотой, равной собственной частоте второго камертона, вызывая в нем резонансные колебания.

Ответ: Примерами звукового резонанса являются усиление звука корпусами струнных инструментов (гитара, скрипка), образование звука в духовых инструментах (флейта, труба), гул при продувании горлышка бутылки (резонатор Гельмгольца), усиление определенных нот при пении в душе, а также "отклик" одного камертона на звучание другого с такой же частотой.