Страница 164 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Какова причина образования эха? Почему эхо не возникает в маленькой, заполненной мебелью комнате? Ответы обоснуйте.

Какова причина образования эха?

Эхо — это физическое явление, которое заключается в отражении звуковой волны от препятствия и её возвращении к наблюдателю. Когда источник издаёт звук, звуковые волны распространяются во все стороны. Встретив на своём пути препятствие (например, стену здания, гору, лес), волны отражаются от него и могут вернуться к источнику звука или другому наблюдателю.

Человеческое ухо способно воспринимать два звука как раздельные, если промежуток времени между их приходом составляет не менее 0,1 секунды. Это связано с инерционностью слухового восприятия. Зная скорость звука в воздухе (приблизительно $v \approx 340$ м/с), можно рассчитать минимальное расстояние до препятствия, необходимое для возникновения отчётливого эха. За время $\Delta t = 0.1$ с звук должен пройти путь до препятствия и обратно. Этот путь равен $S = v \cdot \Delta t$. Расстояние до препятствия $L$ будет в два раза меньше: $L = \frac{S}{2} = \frac{v \cdot \Delta t}{2} = \frac{340 \text{ м/с} \cdot 0.1 \text{ с}}{2} = 17 \text{ м}$. Таким образом, для того чтобы услышать эхо, необходимо, чтобы отражающая поверхность находилась на расстоянии не менее 17 метров.

Ответ: Причиной образования эха является отражение звуковых волн от удалённого препятствия. Эхо воспринимается как отдельный звук, если отражённая волна приходит к наблюдателю со значительной задержкой (не менее 0,1 с) после прямого звука, что возможно при достаточно большом расстоянии до препятствия.

Почему эхо не возникает в маленькой, заполненной мебелью комнате?

В маленькой, заполненной мебелью комнате эхо не возникает по двум основным причинам.

Во-первых, из-за малого размера помещения. Как было показано выше, для возникновения отчётливого эха необходимо, чтобы расстояние до отражающей поверхности было не менее 17 метров. В маленькой комнате стены находятся гораздо ближе. Из-за этого время, за которое отражённые волны достигают уха, очень мало, и они накладываются на основной звук. Ухо не может их разделить, и вместо эха возникает явление реверберации — постепенного затухания звука из-за многократных отражений.

Во-вторых, из-за наличия мебели и других предметов. Мебель (особенно мягкая), ковры и шторы имеют пористую структуру и хорошо поглощают звуковые волны, превращая их энергию в тепло. Это значительно снижает интенсивность отражённого звука. Кроме того, предметы сложной формы рассеивают звук в разных направлениях, а не отражают его обратно к источнику, что также способствует его быстрому затуханию.

Ответ: В маленькой комнате эхо не возникает, потому что расстояние до стен слишком мало, и отражённые звуки возвращаются так быстро, что сливаются с основным звуком (реверберация). Наличие мебели, особенно мягкой, приводит к сильному поглощению и рассеиванию звуковых волн, из-за чего интенсивность отражённого звука недостаточна для восприятия его как эха.

2. Как можно улучшить звуковые свойства большого зала?

1. Звук в пустой комнате кажется гулким и громким из-за явления, называемого реверберацией. В пустом помещении стены, пол и потолок обычно представляют собой твердые и гладкие поверхности. Такие поверхности очень хорошо отражают звуковые волны, почти как зеркало отражает свет. Когда источник звука (например, голос или хлопок) издает звук, волны распространяются во все стороны, достигают поверхностей и многократно отражаются от них, прежде чем затухнуть. Слушатель воспринимает не только прямой звук от источника, но и множество его отраженных копий, приходящих с разных направлений с небольшой задержкой. Это наложение прямого и отраженных звуков и создает эффект гулкости, эха. Время, в течение которого звук затухает после выключения источника, называется временем реверберации. В пустой комнате оно велико.

В комнате, заполненной мебелью, особенно мягкой (диваны, кресла), а также коврами, шторами, книгами на полках, ситуация кардинально меняется. Эти предметы имеют мягкие, пористые и неровные поверхности, которые эффективно поглощают звуковую энергию, а не отражают ее. Когда звуковая волна попадает на такую поверхность, значительная часть ее энергии преобразуется во внутреннюю энергию (в основном в тепло) материала, а отраженная волна становится намного слабее. В результате количество и интенсивность отражений резко снижаются, время реверберации сокращается, и гулкость пропадает. Звук становится более четким, "сухим" и менее громким.

Ответ: В пустой комнате звук многократно отражается от твердых гладких поверхностей (стен, пола, потолка), вызывая гулкость (реверберацию). Мебель, особенно мягкая, ковры и шторы поглощают звуковые волны, уменьшая количество отражений и делая звук более четким и приглушенным.

2. Улучшение звуковых свойств (акустики) большого зала — это комплексная задача, направленная на обеспечение хорошей слышимости и разборчивости речи или музыки в любой точке зала. Для этого используются следующие методы:

• Управление реверберацией: В больших залах звук может отражаться слишком долго, создавая гул, который мешает разборчивости. Чтобы уменьшить время реверберации, используют звукопоглощающие материалы. Стены и потолок частично отделывают специальными акустическими панелями, пористыми плитами или драпируют тяжелыми тканями. Мягкие кресла для зрителей и ковровые покрытия на полу также вносят значительный вклад в поглощение звука.
• Обеспечение равномерного распределения звука: Важно, чтобы звук доходил до всех зрителей, включая самые дальние ряды, с достаточной громкостью. Для этого над сценой и на потолке размещают специальные отражающие поверхности (акустические козырьки или "облака") сложной формы. Они направляют звуковые волны в нужные зоны зала. Сама геометрия зала (например, наклон пола, форма стен и балконов) проектируется так, чтобы способствовать равномерному распределению звука.
• Предотвращение акустических дефектов: Необходимо избегать таких явлений, как эхо, "порхающее" эхо и фокусировка звука.
  • Эхо (четко различимое запаздывающее отражение) устраняется обработкой удаленной отражающей поверхности звукопоглощающими или звукорассеивающими материалами.
  • "Порхающее" эхо возникает между двумя параллельными гладкими стенами. Его предотвращают, делая стены непараллельными или покрывая одну из них поглощающими/рассеивающими материалами.
  • Фокусировка звука, создающая зоны чрезмерной громкости и "мертвые зоны", возникает из-за вогнутых поверхностей (куполов, апсид). Такие поверхности либо избегают при проектировании, либо покрывают их звукорассеивающими структурами (диффузорами).
• Использование звукорассеивающих конструкций (диффузоров): Это рельефные панели или элементы сложной геометрической формы на стенах и потолке. Они не поглощают и не отражают звук направленно, а рассеивают его во множество направлений. Это помогает создать более однородное и обволакивающее звуковое поле, улучшая общее восприятие музыки.

Ответ: Для улучшения звуковых свойств большого зала необходимо оптимизировать время реверберации с помощью звукопоглощающих материалов (акустические панели, мягкие кресла, драпировки), обеспечить равномерное распределение звука с помощью отражающих поверхностей и правильной геометрии зала, а также устранить акустические дефекты (эхо, фокуcировка) путем использования звукорассеивающих конструкций и избегания параллельных и вогнутых поверхностей.

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.

4. Приведите примеры проявления звукового резонанса, не упомянутые в тексте параграфа.

4. Решение:

Звуковой резонанс — это явление, при котором резко возрастает амплитуда вынужденных колебаний системы, когда частота внешнего звукового воздействия совпадает с собственной частотой колебаний этой системы. Вот несколько примеров проявления звукового резонанса, которые могли быть не упомянуты в тексте параграфа:

• Разрушение бокала голосом. Если певец поет ноту, частота которой совпадает с собственной частотой колебаний стеклянного бокала, звуковые волны вызывают в бокале резонанс. Амплитуда колебаний стенок бокала резко увеличивается до тех пор, пока напряжение в стекле не превысит предел его прочности, и бокал разрушится.
• Звучание автомобильного глушителя. Глушитель в выхлопной системе автомобиля — это сложная система резонаторов. Он спроектирован так, чтобы за счет резонанса и интерференции звуковых волн гасить шум определенных (обычно неприятных для слуха) частот и формировать характерный звук работающего двигателя.
• Формирование гласных звуков. Речевой аппарат человека работает как система резонаторов. Голосовые связки создают первоначальный звук, а ротовая и носовая полости выступают в роли резонаторов. Изменяя их форму с помощью языка, губ и мягкого нёба, мы меняем их резонансные частоты, усиливая одни обертоны и ослабляя другие. Именно так формируются различные гласные звуки.
• Резонанс в зданиях и сооружениях. Низкочастотный гул, создаваемый, например, тяжелой техникой или пролетающим вертолетом, может вызвать резонанс оконных стекол или даже элементов конструкций в здании. Если частота звука совпадет с собственной частотой колебаний этих объектов, они начинают заметно вибрировать, дребезжать.

Ответ: Примерами проявления звукового резонанса являются: разрушение бокала от пения на определенной ноте, работа автомобильного глушителя для подавления шума, формирование гласных звуков речевым аппаратом человека, дребезжание оконных стекол под действием низкочастотного гула.

5. Решение:

Камертон сам по себе издает очень тихий звук. Причина в том, что его колеблющиеся ветви (ножки) тонкие и имеют малую площадь поверхности, поэтому они очень неэффективно передают энергию своих колебаний окружающему воздуху.

Для усиления звука камертон устанавливают на специальный резонаторный ящик. Это полый ящик (чаще всего деревянный), объем и форма которого рассчитаны так, чтобы собственная частота колебаний воздуха внутри него была равна частоте звучания камертона.

Когда вибрирующий камертон соприкасается с ящиком, он передает ему свои колебания. Стенки ящика, имеющие большую площадь, а главное — столб воздуха внутри него, начинают совершать вынужденные колебания с частотой камертона. Поскольку эта частота совпадает с собственной частотой резонатора, возникает явление акустического резонанса. В результате амплитуда колебаний воздуха внутри ящика и его стенок резко возрастает. Этот большой колеблющийся объем воздуха эффективно излучает звуковые волны в окружающее пространство, поэтому звук становится громким и хорошо слышимым.

Происходит быстрая и эффективная передача энергии колебаний камертона в звуковую энергию. Поэтому звук хоть и становится громче, но затухает быстрее, чем у камертона без резонатора.

Ответ: Камертоны устанавливают на резонаторные ящики для усиления звука. Резонаторный ящик настроен на ту же частоту, что и камертон. При контакте с вибрирующим камертоном в ящике возникает резонанс, который значительно увеличивает амплитуду звуковых колебаний и, следовательно, громкость звука.

5. Для чего камертоны устанавливают на резонаторных ящиках? Каково назначение резонаторов, применяемых в музыкальных инструментах?

5. Для чего камертоны устанавливают на резонаторных ящиках? Каково назначение резонаторов, применяемых в музыкальных инструментах?

Ветви колеблющегося камертона имеют небольшую площадь поверхности, поэтому они слабо передают свои колебания окружающему воздуху. В результате звук, издаваемый камертоном, очень тихий. Для усиления этого звука камертон устанавливают на специальный резонаторный ящик.

Резонаторный ящик — это полый ящик, чаще всего деревянный, с отверстием. Воздух внутри ящика имеет собственную (резонансную) частоту колебаний, которая определяется размерами ящика. Конструкция ящика подбирается так, чтобы его резонансная частота совпадала с частотой звука, издаваемого камертоном. Когда вибрирующий камертон устанавливают на ящик, он передает свои колебания его стенкам и воздуху внутри. Из-за совпадения частот возникает явление акустического резонанса. Амплитуда колебаний столба воздуха в ящике резко возрастает. Поскольку в колебательное движение вовлекается гораздо большая масса воздуха, чем от одного лишь камертона, громкость звука значительно увеличивается.

Назначение резонаторов в музыкальных инструментах аналогично и выполняет две основные функции:

1. Усиление звука. Первоначальный источник колебаний в инструменте (например, струна у гитары, губы исполнителя у трубы) создает слабый звук. Корпус инструмента (у струнных) или столб воздуха в нем (у духовых) выступает в роли резонатора. Он усиливает эти колебания, делая звук громким и насыщенным.

2. Формирование тембра. Резонатор усиливает разные частоты (основной тон и обертоны) неравномерно. Он сильнее всего откликается на свои резонансные частоты. Такое избирательное усиление одних частот и ослабление других формирует уникальную звуковую окраску — тембр, который позволяет нам отличать звучание скрипки от звучания флейты, даже если они играют одну и ту же ноту.

Ответ: Камертоны устанавливают на резонаторных ящиках для многократного усиления их звука за счет явления акустического резонанса. В музыкальных инструментах резонаторы служат для усиления громкости звука и формирования его характерного тембра (звуковой окраски).

6. Что является источником...

Вопрос на изображении представлен не полностью. Если предположить, что он звучит как "Что является источником звука в различных музыкальных инструментах?", то ответ будет следующим.

Источником звука, то есть телом, создающим первоначальные механические колебания, в разных типах инструментов являются:

- В струнных инструментах (гитара, скрипка, фортепиано) — колеблющаяся струна.

- В духовых инструментах: для деревянных духовых (кларнет, саксофон) источником является вибрирующая трость, а для флейты — воздушная струя, рассекаемая об острую грань; для медных духовых (труба, тромбон) источником являются вибрирующие губы музыканта.

- В ударных инструментах: для мембранных (барабан) — колеблющаяся натянутая мембрана; для самозвучащих (ксилофон, тарелки) — колеблющееся упругое тело самого инструмента.

- В человеческом голосе источником звука являются колеблющиеся голосовые связки.

Ответ: Источником звука в музыкальных инструментах являются колеблющиеся тела: струны в струнных инструментах, трости или губы музыканта, приводящие в движение столб воздуха в духовых инструментах, а также мембраны или цельные корпуса в ударных инструментах.

6. Что является источником голоса человека?

6. Источником голоса человека являются голосовые связки (также известные как голосовые складки), расположенные в гортани. Образование голоса (фонация) — это сложный процесс, но его первоисточник — именно вибрация этих связок.

Когда человек говорит или поет, воздух из легких под давлением проходит через узкую щель между голосовыми связками (голосовую щель). Этот поток воздуха заставляет связки колебаться с высокой частотой. Частота колебаний определяет высоту голоса: чем чаще колеблются связки, тем выше звук. Напряжение, длина и толщина голосовых связок могут изменяться с помощью специальных мышц, что позволяет человеку управлять высотой своего голоса.

Далее, звук, рожденный в гортани, проходит через резонаторы — глотку, ротовую и носовую полости. Они усиливают звук и придают ему уникальный тембр, который отличает голос одного человека от другого. Наконец, органы артикуляции (язык, губы, зубы, нёбо) формируют из этого звука разборчивые звуки речи.

Таким образом, хотя в создании речи участвует вся система органов от легких до губ, именно колебания голосовых связок являются изначальным генератором звуковых волн, то есть источником голоса.

Ответ: Источником голоса человека являются голосовые связки, расположенные в гортани, которые колеблются под действием потока воздуха, выдыхаемого из лёгких.

Придумайте, с помощью каких предметов (кроме камертонов на резонаторных ящиках) можно продемонстрировать явление звукового резонанса. Проделайте опыт, опишите наблюдаемые результаты.

Явление звукового резонанса можно продемонстрировать с помощью множества подручных предметов. Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды колебаний в системе, которое наступает при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной (резонансной) частотой системы. Ниже приведены несколько примеров опытов.

Оборудование: акустическая гитара (или другой струнный инструмент, например, пианино с поднятой крышкой), человеческий голос.

Ход опыта:

1. Возьмите гитару или сядьте за пианино, нажав правую педаль (чтобы поднять демпферы со струн).

2. Расположите лицо близко к резонаторному отверстию гитары или к струнам пианино.

3. Громко и протяжно спойте одну ноту, направляя звук на струны. Например, ноту "Ля" первой октавы (частота 440 Гц). Эта нота соответствует открытой первой струне гитары (стандартный строй EADGBe, где e - самая тонкая).

4. Резко прекратите петь и прислушайтесь.

Наблюдаемые результаты:

После того как вы прекратили петь, от инструмента будет слышен тихий, но отчетливый звук той же ноты, которую вы пели. Если присмотреться, можно увидеть, как соответствующая струна продолжает колебаться. Это происходит потому, что частота звуковых волн вашего голоса совпала с собственной частотой колебаний этой струны. Условие резонанса: $f_{внешняя} = f_{собственная}$. Звуковая волна от голоса раскачала струну, передав ей энергию.

Ответ: Струна музыкального инструмента (гитары, пианино) начинает вибрировать и издавать звук, когда рядом с ней звучит нота, частота которой совпадает с собственной частотой колебаний струны.

Оборудование: стеклянная бутылка с узким горлышком (или высокий стакан), вода, источник звука постоянной частоты (например, гудение собственным голосом или генератор частот на смартфоне).

Ход опыта:

1. Возьмите пустую бутылку. Начните гудеть какую-либо низкую ноту постоянной высоты, держа рот над горлышком бутылки.

2. Не прекращая гудеть, начните медленно наливать в бутылку воду.

3. Внимательно слушайте громкость звука.

Наблюдаемые результаты:

По мере того как уровень воды в бутылке поднимается, длина столба воздуха над водой уменьшается. В определенный момент звук вашего гудения резко усилится. Это означает, что собственная частота колебаний столба воздуха в бутылке совпала с частотой звука, который вы издаете. Длина столба воздуха $L$ в этот момент соответствует условию резонанса для трубы, закрытой с одного конца: $L = (2n-1)\frac{\lambda}{4}$, где $\lambda$ — длина волны вашего звука, а $n=1, 2, 3...$. При дальнейшем наливании воды громкость снова уменьшится.

Ответ: При изменении длины столба воздуха в бутылке (путем наливания воды) можно найти такую его длину, при которой он резонирует со звуком определенной частоты, что проявляется в резком усилении громкости.

Оборудование: два одинаковых тонкостенных бокала для вина, вода.

Ход опыта:

1. Поставьте два одинаковых бокала на стол на небольшом расстоянии друг от друга (5-10 см).

2. Слегка смочите палец водой и начните водить им по ободку первого бокала, чтобы заставить его звучать ("петь"). Бокал будет издавать чистый звук своей основной резонансной частоты.

3. Продолжайте извлекать звук в течение нескольких секунд, чтобы второй бокал успел "откликнуться".

4. Заглушите звук первого бокала, прикоснувшись к нему рукой.

5. Поднесите ухо ко второму бокалу и прислушайтесь.

Наблюдаемые результаты:

После того как первый бокал замолчал, можно услышать, что второй бокал продолжает тихо звучать на той же ноте. Он начал колебаться под действием звуковых волн, исходящих от первого бокала. Поскольку бокалы одинаковые, их собственные частоты колебаний совпадают, что и является причиной резонанса. Для наглядности можно подвесить на нитке легкий шарик (например, из пенопласта) так, чтобы он касался ободка второго бокала. В момент резонанса будет видно, как шарик отскакивает от вибрирующего стекла.

Ответ: Два одинаковых бокала, являясь резонаторами с одинаковой собственной частотой, могут передавать друг другу колебания на расстоянии через звуковые волны в воздухе: звук одного бокала заставляет вибрировать и звучать другой.