Учебник для 11 класса

ФИЗИКА

§ 4.13. Акустический резонанс

• Звучащее тело может совершать как свободные, так и вынужденные колебания под действием внешней периодической силы. Когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой колебаний, наступает резонанс.

Проще всего наблюдать акустический резонанс с помощью двух одинаковых камертонов. Расположим камертоны на небольшом расстоянии так, чтобы отверстия ящиков были направлены друг к другу (рис. 4.30). Ударив молоточком По ветви одного камертона, мы обнаружим вскоре, что и второй камертон начинает звучать.

Звуковая волна от первого камертона создает периодическую силу, действующую на второй камертон. Частоты колебаний камертонов одинаковы, и амплитуда колебаний второго камертона вследствие резонанса оказывается достаточно большой. Если же взять камертоны с различными собственными частотами, то второй камертон при возбуждении первого практически звучать не будет.

Рис. 4.30

Более того, достаточно прикрепить к ветви одного из двух одинаковых камертонов кусочек пластилина, как уже резонанс не возникает. Затухание колебаний камертона мало, и поэтому резонансная кривая является очень острой (см. § 1.10). Увеличение массы ветви камертона меняет частоту его собственных колебаний, и происходит расстройка резонанса.

Явление резонанса используется для усиления звучания камертона. Если вилку камертона снять с ящика и возбудить в ней колебания, то звук будет очень слабым. Разберемся в причине этого.

Воздух является упругим телом. Поэтому столб воздуха в трубе или ящике обладает определенным набором собственных частот подобно натянутой струне или резиновому шнуру. Иными словами, в столбе воздуха могут возникать стоячие волны. Если труба закрыта с двух концов, то на ее краях образуются узлы стоячей волны. Частоты собственных колебаний будут определяться, как и для струны, формулой

где v — скорость звука, a l — длина трубы.

Если труба открыта с одного конца, то у открытого конца образуется пучность смещений. Поэтому вдоль трубы (или ящика) при колебаниях основной частоты укладывается четверть длины волны. Частота основного тона равна в этом случае

Основной тон резонаторного ящика совпадает с собственной частотой колебаний камертона. Поэтому под влиянием периодической силы, с которой камертон действует на крышку ящика, в ящике возбуждается интенсивная стоячая волна. Звуковая волна создается в основном за счет колебаний воздуха в ящике, а не ветвей камертона.

В духовых музыкальных инструментах (орган, кларнет, саксофон и т. д.) под действием воздушной струи возбуждаются колебания с частотой, очень близкой к собственной частоте колебаний столба воздуха в трубе. В зависимости от длины трубы возбуждаются колебания той или иной частоты.