Звуковий резонанс: визначення, особливості виникнення і приклади

Звуковий резонанс — це збіг частоти зовнішньої сили (акустичної хвилі) з власною частотою, що призводить до різкого її збільшення. Явище резонансу тісно пов’язано зі здатністю звуку відбиватися, про що докладніше поговоримо у статті. Крім того, розповімо про звучної кам’яній брилі, про співаючим нелюдським голосом будинку. Наведемо й інші приклади прояву звукового резонансу, пояснити їх причини.

Досвід з камертонами

Акустична хвиля, подібна до гойдалок: якщо штовхати їх як попало, збиваючись з ритму, то високо вона не злетить. Важливість збігу частоти (ритму) легко можна побачити в експерименті з двома камертонами. Візьмемо ті, що мають однакову частоту, і поставимо досить близько один від одного. Вдаримо молоточком по ніжкам першого — він зазвучить, і дуже скоро змусить звучати іншого. Чому це станеться? Другий інструмент буде приведений в рух (раскачан) звуковою хвилею. Коли перший замовкне, другий буде видавати звук ще деякий час. Ось як виникає звуковий резонанс. Якщо виконати досвід на камертонах різної частоти, ми побачимо, що вони не резонують.

Музичні інструменти

Гітарна або скрипкова струна сама по собі звучить не дуже голосно і навряд чи буде чутно в концертній залі. Звук у багато разів посилюється завдяки корпусу інструменту — резонатора. І розтруб духових інструментів, корпус струнних, клавішних інструментів — наприклад, дека рояля, є резонаторами. Вони збирають слабкі звуки і збільшують їх амплітудою основний звук (за принципом гойдалки). У результаті інструмент звучить голосно, а ще від резонатора залежать тембр, глибина, м’якість або різкість тону.

Відбиття звуку

Звуковий резонанс можливий завдяки відображенню хвилі. Розглянемо це властивість звуку детальніше. Акустична хвиля, добігши до перешкоди, яким може бути будь-яке тіло, повертається назад. Знайоме всім ехо — це і є хвиля, відбита від віддаленого предмета. Чому віддаленого? Справа в тому, що перешкоджання повинно розташовуватися досить далеко, щоб людина могла відрізнити звук від джерела і відбитий звук. Так, у приміщенні середніх розмірів, наприклад, в кімнаті квартири, луни не буде. Все тому, що час, через яке хвиля, відобразившись від стін, повертається, занадто мало. Незважаючи на це, чітко чутно, що звук гучний, голосний.

Якщо завісити всі стіни килимами або покрити іншими звукоізолюючими матеріалами, звук стане глухим, сухим, навіть неприємним. У випадках, коли важлива дзвінкість, потрібно подбати про те, від чого буде відображатися акустична хвиля. Звукового резонансу без цього не буде.

Приміщення як резонатор

Якість звучання в приміщенні особливо важливо для театрів, філармоній. Є навіть особливий розділ акустики — архітектурна акустика. Вона вирішує проблеми проектування залів з доброю гучністю. «Правильне» приміщення і сама є резонатором. Подібні зали мають округлі стелю і стіни, завдяки чому звук доходить до кожного глядача, слухача.

Треба зауважити, що форма приміщення — увігнута, а не опукла. Остання не підходить, оскільки при відбитті хвилі під кутом велика частина звуку розсіюється і не повертається. При увігнутою формою стін звук повертається майже по тій же траєкторії, що і поширюється, тобто доходить до кожної точки залу практично без втрат.

«Співаючий» камінь

Недалеко від Баку, столиці Азербайджану, є пустеля зі знаменитим «співаючим» каменем. Він настільки відомий, що отримав ім’я — «Кам’яний бубон». Ця дивовижна брила має властивість: якщо вдарити по ній каменем, то звук виходить такий же гучний і чистий, як у дзвони. Як же фізика пояснює цей приклад звукового резонансу?

Удар призводить до короткострокової деформації — тут же від точки зіткнення у всі сторони біжать звукові хвилі. На швидкість їх розбіжності розміри каменя не впливають. Однак хвиля може вільно поширюватися тільки в необмеженому просторі. А адже ми знаємо, що камінь та повітря мають кордону (там, де вони стикаються). Коли хвиля добігає до кордону, вона частково проходить в інше середовище — з каменю в повітря. Решта акустичної енергії відбивається у зворотному напрямку.

Від чого залежить звучання

Чим більше різняться швидкості звуку в повітрі і камені, тим краще відображення. Так, в граніті звук розходиться зі швидкістю 4×103 м/с, в повітрі — 3,3×102 м/с. Отже, в повітря вийде незначна кількість енергії, а основна частина буде «закрито» всередині каменя. «Співоча» брила лежить на інших каменях, у неї слабка акустична зв’язок з землею, адже вона торкається ґрунту лише в декількох місцях. Виходить, що звук не може вийти в землю. Подібні предмети, здатні укласти всередині себе коливальну енергію, називаються резонаторами. Що ж відбувається в середині «співаючого» каменя при ударі? Хвилі багато разів відбиваються від його стінок, зменшуються або збільшуються при звуковому резонансі. Посилення буває тоді, коли хвиля, відбившись, повертається в тій же фазі, в якій вона починала свій пробіг.

Таємничий будинок

В «Оповіданнях про старій Москві» А. Вьюркова описується звучить страшним голосом будинок. Головний герой твору Іван Павлович вирішив розбагатіти обманним шляхом. Він найняв бригаду мулярів, щоб ті побудували йому прибутковий будинок, і не заплатив їм всій обіцяної суми. Незабаром орендарі стали один за іншим покидати готель, бо були налякані нечистою силою, яка вив нелюдським голосом. Іван Павлович звернувся в поліцію, і городові залишилися в засідці на ніч. Їх спіткала та ж доля, що і квартиронаймачів. В порожніх кімнатах лунали моторошні зітхання і виття. Правоохоронці в жаху покинули будівлю зі страшним домовиком.

Іван Павлович залишився без грошей і без мешканців. Йому нічим було виплачувати відсотки за кредитом, тому майно і його самого заарештували. По закінченні часу один з підрядників розкрив Івану Павловичу секрет містичного будинку. Виявляється, що ошукані робітники вирішили помститися: вони замурували в стіну порожні пляшки, які звучали при кожному пориві вітру, лякаючи постояльців.

Резонатор Гельмгольца

Дивовижні властивості порожніх посудин людство знає давно. Античні архітектори при будівництві театру використовували знання про звуковому резонансі: закладали стіни судини з бронзи, щоб голос акторів звучав голосніше. В акустиці широко застосовуються резонатори Гельмгольца. Гельмгольц — це німецький вчений, який обгрунтував теорію слуху з фізичної точки зору. З допомогою набору резонаторів, названих на його честь, можна аналізувати складні звуки з частотою коливань хвилі.

Як же працює резонатор? Він являє собою кулясте або у формі пляшки посудина з вузьким горлечком. Весь секрет полягає в звуковому резонансі коливань повітря, який знаходиться всередині. Звукова хвиля складна. Вона складається з багатьох коливань. Але кожен з резонаторів найкраще відгукується на ту частоту, яка дорівнює його власної, тобто частоту коливання повітря, укладеного в порожнині. Від чого вона залежить?

Якщо резонатор менше довжини звукової хвилі, то його принцип дії такий же, як у пружинного маятника. Повітря в вузькій шийці рухається набагато швидше, ніж в самому резонаторі. Саме коливання в шийці судини відіграють головну роль. Виходить, що кінетична енергія зосереджена переважно в цьому вузькому місці. Пружну енергію несе маса повітря, що знаходиться всередині резонатора.

Повітря в шийці набагато менше, ніж всередині, тому зміною його об’єму під час коливань прийнято нехтувати. Умовно вважається, що вся ця маса пересувається як єдине ціле, як повітряна пробка, а об’єм повітря всередині резонатора сильно змінюється. Виходить, що повітря всередині працює як пружина в коливальній системі. Його приплив перекриває шлях в посудину іншому повітрю, а відтік знижує тиск і перешкоджає выпусканию повітря зсередини. Коли повітряна пробка йде вниз, вона стискає прилеглий шар повітря всередині резонатора, тобто підвищує його щільність. В результаті зростання тиску приводить в рух наступний шар повітря, потім ще один і т. д. Таким чином, стиснення поширюється по верствам, передає свій імпульс, і виникає звукова хвиля.

Тепер зрозуміло, що причиною страшних голосів в прибутковому будинку був звуковий резонанс. Завивання вітру і інші шуми з вулиці — це невпорядковані гармонійні коливання різної частоти. Їх називають чистими тонами. При проходженні через стіну всі частоти, крім резонансних, слабшали. Резонансні частоти — це ті, що збігалися з частотами повітря в порожніх судинах. Більш того, вони могли навіть посилитися. Городові впадали в паніку, бо чули невластиві людині і живим істотам звуки. Справа в тому, що наша мова звучить на частоті, набагато більшою 100 герц, а «домовик» видавав незвично низькі звуки.