Номер 3, страница 188 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Ответь на вопросы. § 39. Отражение звука. Звуковой резонанс. Глава 2. Механические колебания и волны. Звук - номер 3, страница 188.

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

Как можно улучшить звуковые свойства большого зала?

Решение

Улучшение звуковых свойств, или акустики, большого зала — это комплексная задача, направленная на обеспечение хорошей слышимости и разборчивости речи и музыки во всех точках зала. Основная проблема в больших помещениях — это реверберация, то есть процесс постепенного затухания звука после выключения его источника из-за многократных отражений от поверхностей. Слишком большая реверберация (гулкость, эхо) делает звук неразборчивым, а слишком малая — "сухим" и невыразительным. Для оптимизации акустики применяют следующие методы:

• Архитектурное решение: Форма зала имеет первостепенное значение. Избегают плоских параллельных стен, которые создают порхающее эхо. Вогнутые поверхности (например, купола) также нежелательны, так как они могут фокусировать звук в одной точке, создавая "акустические линзы", и оставляя другие зоны "глухими". Предпочтительны ломаные или выпуклые поверхности, которые рассеивают звук.
• Применение звукопоглощающих материалов: Для уменьшения времени реверберации стены, потолок и пол покрывают материалами, которые хорошо поглощают звук. Это могут быть специальные акустические панели, тяжелые драпировки, ковровые покрытия, мягкие кресла. Эти материалы имеют пористую или волокнистую структуру, в которой энергия звуковой волны преобразуется в тепловую.
• Использование звукорассеивающих конструкций (диффузоров): Чтобы сделать звуковое поле более равномерным, на стенах и потолке размещают специальные рельефные конструкции — диффузоры. Они отражают звук не в одном направлении, а рассеивают его по многим направлениям. Это помогает избежать резких эхо-сигналов и делает звучание в зале более объемным и естественным.
• Установка акустических отражателей: В концертных залах над сценой часто размещают специальные щиты-отражатели (акустический козырек). Их задача — направить звуковую энергию от исполнителей в сторону удаленных рядов слушателей, улучшая слышимость.

Ответ: Улучшить звуковые свойства большого зала можно путем придания ему специальной геометрической формы (избегая параллельных и вогнутых поверхностей), облицовки стен и потолка звукопоглощающими и звукорассеивающими материалами, а также установки акустических отражателей для направления звука к слушателям.

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

Решение

Рупор (или мегафон) не усиливает звук в смысле добавления к нему энергии, как это делает электронный усилитель. Его работа основана на концентрации и направленности звуковых волн.

Когда человек говорит или кричит без рупора, звуковые волны распространяются от источника (рта) во все стороны, примерно в пределах полусферы. Энергия звука распределяется по все увеличивающейся площади. Интенсивность звука $I$ обратно пропорциональна квадрату расстояния $r$ от источника: $I \sim \frac{1}{r^2}$. Из-за этого быстрого убывания интенсивности звук на большом расстоянии становится слишком тихим, чтобы его можно было услышать.

Рупор представляет собой расширяющуюся трубу, которая выполняет две основные функции:

1. Согласование импедансов: Рупор помогает более эффективно передать энергию колебаний от источника звука (голосовых связок) в окружающую среду (воздух). Он обеспечивает плавный переход, позволяя "протолкнуть" в воздух больше акустической энергии.
2. Концентрация энергии: Это главный эффект. Рупор не дает звуковым волнам расходиться во все стороны. Он формирует из них узконаправленный пучок, концентрируя почти всю звуковую энергию в заданном направлении. В результате та же самая энергия, которую излучал бы источник, распределяется на гораздо меньшую площадь. Следовательно, интенсивность звука в этом направлении на любом расстоянии $r$ будет значительно выше, чем без рупора.

Поскольку интенсивность звука в направлении рупора убывает медленнее (или имеет большее начальное значение в данном направлении), он остается слышимым на значительно большем расстоянии.

Ответ: Рупор концентрирует энергию звуковых волн в узком направлении, не давая ей рассеиваться во все стороны. Из-за этого интенсивность звука в данном направлении оказывается значительно выше, что позволяет ему распространяться на большее расстояние, прежде чем затухнуть до порога слышимости.

4. Приведите примеры проявления звукового резонанса, не упомянутые...

Решение

Звуковой резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды колебаний тела или системы под действием внешней силы, частота которой совпадает с собственной частотой колебаний этой системы. Вот несколько примеров проявления звукового резонанса:

• Корпуса музыкальных инструментов: Корпус гитары, скрипки или виолончели является акустическим резонатором. Когда струна колеблется, она передает свои вибрации корпусу. Корпус, имея свои собственные резонансные частоты, начинает сильно колебаться в ответ, значительно усиливая звук и обогащая его тембр. Без корпуса-резонатора звук струны был бы очень тихим.
• Резонанс в воздушных столбах: В духовых инструментах (флейта, труба, кларнет) звук создается за счет резонанса столба воздуха внутри инструмента. Музыкант создает вибрацию (губами, язычком), а столб воздуха резонирует на определенных частотах, зависящих от длины трубы, создавая устойчивый музыкальный тон. Играя на клапанах или изменяя длину трубы, музыкант меняет резонансную частоту и, соответственно, высоту звука.
• Человеческий голос: Полость рта, глотки и носа образуют сложную систему резонаторов. Изменяя их форму с помощью языка и губ, мы меняем их резонансные частоты. Это позволяет нам усиливать определенные обертоны, создаваемые голосовыми связками, и таким образом формировать различные гласные звуки. Оперные певцы специально тренируются использовать резонанс для создания мощного и полетного звука.
• Резонатор Гельмгольца: Если подуть под определенным углом на горлышко пустой бутылки, можно услышать низкий гул. Это пример резонанса Гельмгольца. Воздух в горлышке бутылки колеблется как поршень (масса), а объем воздуха внутри бутылки работает как упругая пружина. Эта система имеет свою четкую резонансную частоту.
• Резонанс в помещениях (комнатные моды): В комнате, особенно с параллельными стенами, звук на определенных частотах может создавать стоячие волны. На этих частотах звук будет казаться заметно громче в одних точках (пучностях) и тише в других (узлах). Это может приводить к неравномерному "бубнящему" басу в некоторых частях комнаты.

Ответ: Примерами звукового резонанса являются: усиление звука корпусом гитары или скрипки; создание тона в духовых инструментах (флейта, труба) за счет колебаний столба воздуха; формирование гласных звуков в речи человека с помощью резонаторов ротовой и носовой полостей; возникновение гула при продувании воздуха над горлышком бутылки (резонатор Гельмгольца).