Страница 188 - 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 какого-либо препятствия и её возвращении к наблюдателю. Чтобы человек мог услышать эхо как отдельный звук, а не просто как продление исходного, между произнесением звука и восприятием его отражения должен пройти определённый промежуток времени.

Человеческое ухо способно различить два звука, если временной интервал между ними составляет не менее 0,1 секунды. Это связано с инерционностью слухового восприятия. Зная скорость звука в воздухе, которая при нормальных условиях составляет примерно $v \approx 340$ м/с, можно рассчитать минимальное расстояние до препятствия, необходимое для возникновения отчётливого эха.

За время $t = 0.1$ с звук должен пройти путь от источника до препятствия и обратно. Этот путь равен $S = v \cdot t$. Расстояние до препятствия $L$ будет в два раза меньше этого пути:$L = \frac{S}{2} = \frac{v \cdot t}{2}$

Подставив значения, получим:$L = \frac{340 \, \text{м/с} \cdot 0.1 \, \text{с}}{2} = 17 \, \text{м}$

Таким образом, для возникновения различимого эха необходимо, чтобы отражающая поверхность находилась на расстоянии не менее 17 метров от источника звука.

Ответ: Причина образования эха — отражение звуковых волн от удалённого препятствия. Эхо возникает, когда отражённый звук возвращается к слушателю с достаточной задержкой (не менее 0,1 с), чтобы быть воспринятым отдельно от первоначального звука.

Почему эхо не возникает в маленькой, заполненной мебелью комнате?

В маленькой, заполненной мебелью комнате эхо не возникает по двум основным причинам: недостаточный размер помещения и поглощение звука предметами.

1. Недостаточный размер комнаты. Как было рассчитано выше, для возникновения отчётливого эха расстояние до препятствия должно быть не менее 17 метров. В обычной маленькой комнате стены находятся гораздо ближе. Звуковые волны отражаются от стен и возвращаются к слушателю настолько быстро (время задержки значительно меньше 0,1 с), что человеческое ухо не может отделить отражённый звук от исходного. Вместо эха возникает явление реверберации — многократные, быстро затухающие отражения сливаются с первоначальным звуком, делая его более гулким и продолжительным, но не создавая отдельного повтора.

2. Поглощение звука мебелью. Мебель, особенно мягкая (диваны, кресла), а также ковры, шторы и другие предметы с мягкими, пористыми поверхностями, являются хорошими звукопоглотителями. Когда звуковая волна достигает такой поверхности, значительная часть её энергии не отражается, а поглощается, превращаясь в тепловую энергию. Отражённая волна оказывается очень слабой. В комнате, заполненной мебелью, происходит множество отражений, но на каждом из них звук теряет энергию. В результате звуковые волны быстро затухают и не могут сформировать слышимое эхо.

Ответ: В маленькой комнате расстояние до стен слишком мало, и отражённый звук возвращается так быстро, что не воспринимается как отдельный. Мебель и другие предметы, особенно с мягкими поверхностями, поглощают звуковые волны, ослабляя их и препятствуя образованию чёткого отражения.

2. Как можно улучшить звуковые свойства большого зала?

1. Решение

Эхо в пустой комнате слышно гораздо сильнее, чем в маленькой комнате с мебелью, из-за различий в отражении и поглощении звуковых волн. Это объясняется явлениями реверберации, звукопоглощения и диффузии звука.

Реверберация в пустой комнате: Пустая комната имеет большие, гладкие и твердые поверхности (стены, пол, потолок), которые хорошо отражают звук. Звуковая волна, возникнув, многократно отражается от этих поверхностей, прежде чем затухнуть. Слушатель слышит прямой звук, а затем серию затухающих отражений. Это наложение прямого и отраженных звуков и есть реверберация, которая воспринимается как гул или эхо.

Звукопоглощение и диффузия в меблированной комнате: В комнате, заполненной мебелью, присутствует множество предметов, которые изменяют акустическую среду. Мягкая мебель (диваны, кресла), ковры, шторы, одежда — это пористые материалы, которые эффективно поглощают звуковую энергию, превращая ее в теплоту. Это явление называется звукопоглощением. Оно резко сокращает время реверберации. Кроме того, предметы мебели имеют неправильную форму, что заставляет звуковые волны не просто отражаться, а рассеиваться (диффундировать) в разных направлениях. Это делает звуковое поле в комнате более равномерным и предотвращает формирование отчетливых эхо-сигналов.

Ответ: В пустой комнате из-за многократных отражений звука от твёрдых гладких поверхностей возникает сильная реверберация (гулкое эхо). В комнате с мебелью мягкие поверхности поглощают звук, а предметы сложной формы рассеивают его, что значительно ослабляет отражения и устраняет эхо.

2. Решение

Улучшение звуковых свойств (акустики) большого зала — это комплексная задача, направленная на достижение разборчивости речи и музыки, а также на создание приятной звуковой атмосферы. Это достигается управлением реверберацией и равномерным распределением звуковой энергии. Основные методы включают:

• Архитектурная акустика: Форма зала имеет решающее значение. Избегают параллельных стен, которые могут создавать "порхающее" эхо. Используют ломаные линии стен, балконы, рельефные потолки, чтобы рассеивать звук и предотвращать его нежелательную концентрацию в отдельных точках.
• Звукопоглощение: Чтобы контролировать время реверберации (время затухания эха), применяют звукопоглощающие материалы. К ним относятся мягкие зрительские кресла, ковровые покрытия, акустические панели на стенах и потолке, тяжелые занавеси. Правильный баланс поглощения важен: слишком сильное поглощение сделает звук "мертвым", а недостаточное — гулким и неразборчивым.
• Звукорассеивание (диффузия): Для равномерного распределения звука по всему залу и создания ощущения объёма используют специальные рельефные поверхности — диффузоры. Они рассеивают падающие на них звуковые волны в разных направлениях.
• Звукоотражение: Над сценой часто монтируют специальные отражатели (акустические козырьки или "облака"). Их задача — направить часть звука от исполнителей к слушателям на дальних рядах, повышая для них громкость и четкость.
• Звукоизоляция: Важно защитить зал от проникновения внешних шумов (с улицы, из фойе) и от шума внутренних инженерных систем (вентиляция, кондиционирование). Для этого используются массивные конструкции, двойные двери, виброизоляция оборудования.

Ответ: Улучшить звуковые свойства большого зала можно за счет оптимизации его формы, применения комбинации звукопоглощающих, звукорассеивающих и звукоотражающих материалов и конструкций, а также обеспечения высокого уровня звукоизоляции от посторонних шумов.

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).

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

Звуковой резонанс — это явление, при котором амплитуда колебаний акустической системы резко возрастает, когда частота внешнего звукового воздействия совпадает с одной из собственных (резонансных) частот системы. Вот несколько примеров проявления звукового резонанса:

• Корпуса музыкальных инструментов. Деки струнных инструментов, таких как гитара, скрипка или виолончель, являются резонаторами. Когда струна колеблется, она передает свою вибрацию корпусу. Корпус, обладая большой поверхностью и собственными резонансными частотами, начинает колебаться в ответ. Это заставляет колебаться больший объем воздуха, что значительно усиливает звук и обогащает его тембр. Без резонатора-корпуса звук струны был бы очень тихим.
• Резонатор Гельмгольца. Простым примером является звук, возникающий, если подуть на горлышко пустой бутылки. Воздух в горлышке и в объеме бутылки образует колебательную систему, которая имеет определенную резонансную частоту. Когда поток воздуха над горлышком создает колебания, совпадающие с этой частотой, возникает громкий и чистый тон.
• Разрушение бокала голосом. Если певец поет ноту, частота которой точно совпадает с собственной частотой колебаний тонкого стеклянного бокала, амплитуда колебаний стенок бокала будет нарастать. При достаточной силе звука напряжение в стекле может превысить предел его прочности, и бокал разрушится.
• Дребезжание предметов в комнате. Иногда при определенной громкости и частоте звука от стереосистемы или телевизора начинают дребезжать стекла в окнах или посуда в шкафу. Это происходит, когда частота звуковой волны совпадает с собственной частотой колебаний этих предметов, вызывая их резонансные колебания.

Ответ: Примерами звукового резонанса являются усиление звука корпусом гитары, возникновение гула при продувании над горлышком бутылки, разрушение стеклянного бокала силой голоса, а также дребезжание посуды в шкафу от громкой музыки определенной частоты.

5. Камертоны устанавливают на резонаторные ящики для существенного усиления громкости их звучания. Сам по себе колеблющийся камертон издает очень тихий звук. Причина в том, что его ветви (ножки) тонкие, имеют малую площадь поверхности и поэтому приводят в движение лишь небольшой объем воздуха, непосредственно прилегающий к ним. В результате в окружающее пространство излучается звуковая волна малой интенсивности.

Резонаторный ящик — это полый ящик, как правило, из дерева, с одним открытым отверстием. Его размеры и объем специально подбираются таким образом, чтобы собственная частота колебаний воздуха внутри него совпадала с частотой звука, издаваемого камертоном.

Когда вибрирующий камертон ставят ножкой на резонаторный ящик, его колебания передаются стенкам ящика. Стенки ящика, имеющие значительно большую площадь, чем ветви камертона, начинают колебаться с той же частотой и заставляют колебаться большой объем воздуха как внутри ящика, так и снаружи. Поскольку частота вынуждающей силы (камертона) совпадает с собственной частотой колебательной системы (ящика с воздухом), возникает явление резонанса. Амплитуда колебаний воздуха резко возрастает, что мы и воспринимаем как значительное увеличение громкости звука.

Ответ: Камертоны устанавливают на резонаторные ящики для усиления звука. Ящик-резонатор, настроенный на частоту камертона, вступает с ним в резонанс и заставляет колебаться большой объем воздуха, что делает изначально тихий звук громким и отчетливым.

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

5. Для чего камертоны устанавливают на резонаторных ящиках?

Колеблющиеся ветви камертона имеют очень маленькую площадь поверхности, поэтому при своих колебаниях они приводят в движение незначительную массу воздуха. В результате звук, издаваемый самим камертоном, очень тихий. Для его усиления используется резонаторный ящик. Это полый ящик, размеры которого рассчитаны так, чтобы собственная частота колебаний воздуха внутри него была равна частоте колебаний камертона. Когда вибрирующий камертон устанавливают на ящик, его колебания передаются ящику и воздуху в нем. Возникает явление акустического резонанса, при котором амплитуда колебаний воздуха резко возрастает. Большая поверхность ящика и резонирующий воздух вовлекают в колебание значительно большую массу окружающего воздуха, что делает звук громким.

Ответ: Камертоны устанавливают на резонаторных ящиках для усиления громкости звука за счёт явления акустического резонанса.

Каково назначение резонаторов, применяемых в музыкальных инструментах?

Резонаторы в музыкальных инструментах (например, корпус гитары или скрипки, труба духового инструмента) выполняют две главные задачи.

Первая задача — усиление звука. Исходный звук от источника колебаний (струны, трости, губ музыканта) обычно довольно слабый. Резонатор, обладая большой поверхностью и объемом, эффективно передает энергию этих колебаний окружающему воздуху, делая звук мощным и слышимым на расстоянии.

Вторая задача — формирование тембра. Тембр — это уникальная окраска звука, которая позволяет нам отличать один инструмент от другого. Резонатор усиливает разные частоты звукового спектра (основной тон и его обертоны) неравномерно. Он отзывается сильнее на те частоты, которые близки к его собственным резонансным частотам. Этот избирательный характер усиления и создает неповторимый тембр инструмента.

Ответ: Основное назначение резонаторов в музыкальных инструментах заключается в усилении громкости звука и формировании его уникального тембра (окраски звучания).

6. Что является источником голоса человека?

Источником голоса человека являются голосовые связки (или голосовые складки), расположенные в гортани. Процесс образования голоса, называемый фонацией, происходит в несколько этапов.

Сначала воздух, выдыхаемый из легких, создает воздушный поток, который направляется вверх к гортани. Когда этот поток воздуха проходит через узкую щель между голосовыми связками, он заставляет их вибрировать. Голосовые связки — это две эластичные складки мышечной ткани. Под давлением воздуха они ритмично и очень быстро смыкаются и размыкаются, прерывая воздушный поток и создавая тем самым звуковые волны. Эти колебания и есть первоначальный звук голоса.

Высота голоса определяется частотой колебаний голосовых связок. Эта частота зависит от их длины, толщины и степени натяжения, которые регулируются специальными мышцами гортани. Чем выше частота колебаний, тем выше голос.

Далее, возникший в гортани звук проходит через глотку, ротовую и носовую полости. Эти полости выполняют роль резонаторов: они усиливают звук и обогащают его дополнительными тонами (обертонами), что придает голосу индивидуальный, уникальный тембр. Окончательное формирование отчетливых звуков речи (гласных и согласных) происходит благодаря работе органов артикуляции: языка, губ, зубов и нёба.

Таким образом, хотя в создании речи участвует сложная система органов, непосредственным источником звуковых колебаний, которые мы воспринимаем как голос, являются именно вибрирующие голосовые связки.

Ответ: Источником голоса человека являются голосовые связки, которые колеблются под действием потока воздуха, идущего из легких.

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. Звуковой резонанс — это явление резкого увеличения амплитуды колебаний тела или системы тел, когда частота внешнего воздействия (в данном случае, звуковой волны) совпадает с собственной частотой колебаний этой системы. Ниже описан один из самых наглядных опытов.

Опыт для демонстрации звукового резонанса с помощью гитар

Необходимое оборудование: две акустические гитары, настроенные в унисон (одинаково).

Ход опыта:

1. Поставьте гитары на расстоянии около 30-50 см друг от друга. Желательно, чтобы их резонаторные отверстия (розетки на деке) были направлены друг на друга.
2. На одной из гитар (гитаре-источнике) сильно, но коротко дёрните одну из открытых струн, например, самую толстую шестую струну «Ми». Вы услышите её громкое звучание.
3. Спустя 1-2 секунды плотно прижмите ладонь ко всем струнам гитары-источника, чтобы полностью прекратить их колебания.
4. Внимательно прислушайтесь ко второй гитаре (гитаре-резонатору).

Наблюдаемые результаты и их описание:

В наступившей тишине можно услышать, что вторая гитара начала «отзываться» — от неё исходит звук той же ноты «Ми». Если присмотреться, можно даже заметить вибрацию соответствующей (шестой) струны на второй гитаре. Этот звук будет тише, чем первоначальный, но отчётливо слышен.

Это происходит потому, что звуковая волна, созданная колеблющейся струной первой гитары, распространилась по воздуху и достигла второй. Эта волна несёт энергию и имеет определённую частоту. Воздействуя на струны второй гитары, она заставляет их колебаться. Однако наиболее эффективно энергия передается той струне, чья собственная частота колебаний совпадает с частотой пришедшей волны. В результате эта струна (шестая струна «Ми») входит в резонанс, и амплитуда ее колебаний резко возрастает, делая звук слышимым. Корпус гитары, в свою очередь, работает как резонатор, усиливая этот звук.

Альтернативный опыт: Подобное явление можно продемонстрировать с пустыми бутылками разного объема или с одним и тем же бокалом. Если подуть над горлышком бутылки, можно услышать ее «резонансный тон». Если затем поднести к бутылке источник звука (например, динамик смартфона с генератором частот) и воспроизвести звук такой же частоты, громкость гула из бутылки резко возрастет. Аналогично, тонкостенный бокал начнет заметно вибрировать и «петь», если на него направить звук той же частоты, которую он издает при проведении по краю влажным пальцем.

Ответ: Продемонстрировать явление звукового резонанса можно с помощью двух одинаково настроенных гитар. Если на одной гитаре заставить звучать струну и затем заглушить ее, на второй гитаре, расположенной рядом, самопроизвольно начнет звучать струна с той же собственной частотой из-за резонанса. Другой пример — резкое усиление звука из горлышка бутылки, когда частота внешнего источника звука совпадает с резонансной частотой столба воздуха внутри нее.