2014-02-13
5721
Источником звука может быть любое колеблющееся тело, помещенное в упругую среду, в которой колебания- создают акустическую волну. Мы ограничимся лишь кратким рассмотрением некоторых источников, создающих тональные звуки.
Камертон. Это U-образный стержень прямоугольного сечения. При ударе по одной из ножек стержня в нем возбуждается стоячая волна, пучности которой находятся на концах ножек камертона, а узел – в месте его изгиба. Именно в этом месте, где отсутствуют колебания, к камертону прикреплена ручка. В каждый момент времени ножки камертона двигаются в противоположные стороны, так что суммарный импульс его все время равен нулю. Камертоны применяют в качестве эталонов звуков чистых тонов, так как интенсивности обертонов в спектре звука, издаваемого камертоном, очень малы по сравнению с интенсивностью основного тона. Расстояние между узлом и пучностью в стоячей волне равно l/4. Таким образом, длина ножки камертона равна четверти длины волны излучаемого им основного тона. Недостаток камертона в том, что интенсивность, испускаемого им звука довольно мала. Объясняется это тем, что его ножки колеблются в разные стороны и создают две волны в противоположных фазах, которые ослабляют друг друга. Для усиления звука, создаваемого камертоном, его обычно, укрепляют на открытом с одного конца ящике – резонаторе. При определенных размерах резонатора в нем возникают колебания столба воздуха, и интенсивность излучаемого звука возрастает.
Струны. Твердые тела, поперечные размеры которых во много раз меньше их длины. Если струну закрепить с обоих концов и приложить к ней кратковременную силу в направлении, перпендикулярном ее длине, то в струне возникает волна, которая, дойдя (до концов струны, отражается, в результате чего, образуется стоячая волна с узлами в местах закрепления. Если сила, приводящая струну в движение, была приложена в середине струны, то на ней укладывается одна полуволна. Возможны и другие случаи приложения силы, но в любом случае на струне укладывается целое число полуволн. Длина волны соответствующих колебаний связана с длиной струны l следующим соотношением
Колебание, происходящее с наименьшей частотой, создает основной тон струны; колебания с n > 1 соответствуют обертонам. В наличии обертонов легко убедиться, оттянув струну на гитаре посредине, а затем прижав ее посредине к грифу. На струне будет видна стоячая волна с длиной волны в 2 раза меньшей, чем у основного тона, что хорошо слышно по высоте тона, испускаемого гитарой. Изменяя длину струны, также можно добиться изменения высоты тона, чем и пользуются музыканты, играющие на струнных инструментах.
Мембраны. Тонкие упругие пластинки или натянутые на раму тонкие упругие пленки. На мембране образуются поверхностные стоячие волны, в которых множество узловых точек образуют узловые линии. Наблюдать эти линии можно, если насыпать на мембрану песок. Песчинки при колебаниях сбрасываются с пучностей и собираются на узловых линиях, образуя так называемые фигуры Хладни, вид которых меняется в зависимости от способа закрепления мембраны. Последние находят широкое применение в акустике. Их используют в телефонных аппаратах, микрофонах; имеются мембраны (барабанные перепонки) и в органах слуха человека и животных.
Трубы. Подобно струнам, служат источниками тональных звуков. Такими же свойствами обладают воздушные полости, имеющие форму конуса, сферы и т. п. Пусть на одном конце трубы находится тело, совершающее колебания. Таким телом может быть поршень, мембрана телефона и т. п. Источник колебаний создает в заключенном в трубе столбе воздуха стоячую волну. Если труба закрыта с одного конца, то у закрытого конца находится узел, а у открытого конца – пучность; если труба открыта с обоих концов, то на них находятся пучности. Отражение волны у открытого конца трубы происходит от наружного воздуха, масса которого неизмеримо больше массы воздуха в трубе. Таким образом, столб воздуха в трубе приходит в вынужденные колебания, и максимальная интенсивность излучаемого звука будет при резонансе, т. е. при совпадении частоты источника звука с частотой собственных колебаний воздуха в трубе.
Как и в струне, собственные частоты колебаний воздушного столба состоят из основного тона и обертонов (для труб, открытых с обоих концов). Если труба открыта с одного конца, то основной тон будет иметь длину волны, равную учетверенной длине трубы. Таким образом, чем длиннее труба, тем более низким будет основной тон. Это хорошо видно в органе, состоящем из большого количества труб, начиная от самых маленьких до больших, длиной в несколько метров, испускающих звуки очень низкого тона.
Акустические резонаторы могут иметь различную форму. Например, резонатор Гельмгольца – сферический пустотелый сосуд с небольшим цилиндрическим горлом и диаметрально противоположным ему узким отверстием с конусным наконечником. Акустическая волна приводит в колебательное движение воздушную пробку в горле сосуда, которая вызывает вынужденные колебания воздуха во внутреннем объеме сферы. Собственная частота колебаний воздуха в резонаторе определяется объемом сферической полости. Если одна из частот в спектре падающей волны совпадает с собственной частотой колебаний объема воздуха в полости, то происходит резонанс. Поднеся узкое отверстие прибора к уху, можно заметить значительное возрастание громкости звука в соответствующем резонансу участке спектра.
До появления электроакустической аппаратуры набор резонаторов Гельмгольца различных диаметров применяли для анализа звуковых спектров, т. е. для выделения из них одной из спектральных составляющих. Аналогичным резонатором может служить крупная морская раковина, внутренний объем которой, обладая сложной конфигурацией, выделяет из окружающих ее звуков определенный набор частот. Прижав раковину к уху, можно услышать характерное для данной раковины гудение. Ротовая полость человека и животных представляет собой также резонатор. Источником звука является гортань, приводящая в резонансные колебания воздух, заключенный в полости.
Интенсивность излучения звука определяется мощностью источника колебаний, но также зависит от размеров колеблющихся поверхности или объема. Убедиться в этом можно на простом опыте, взяв металлический стержень и с помощью зажимов натянув между его концами струну. Приводя ее в колебательное движение, мы услышим слабый звук. Однако стоит прижать штатив к поверхности стола, как звук резко усилится. Рассмотрим причину этого явления. При движении струны вниз воздух под ней сжимается (давление возрастает), а над струной давление понижается. Таким образом, возникают две волны одновременно, причем в противоположных фазах: одна из них начинается сгущением, а другая – разрежением. Вследствие того, что выравнивание давления в газе происходит со скоростью звука, за этот период давление выравнивается на расстоянии длины волны. Поскольку при частоте, например, 680 Гц, l = 0,5 м, то диаметр струны оказывается значительно меньше длины волны, а сжатия и разрежения воздуха почти полностью компенсируют друг друга. Струна как бы «перекачивает» воздух снизу вверх и обратно. Отсюда следует, что колеблющееся тело излучает звук значительной интенсивности лишь тогда, когда его размеры сравнимы с длиной волны. Именно поэтому и происходит усиление звука, когда стержень со струной прижат к поверхности стола. Колебания струны передаются столу, а так как линейные размеры стола сравнимы с длиной волны, то излучение возрастает. Поэтому громкоговорители снабжают диффузорами, размеры которых тем больше, чем меньше частота звука, которую они должны воспроизводить. Сирены. Для получения звуков особенно большой интенсивности применяют сирены, представляющие собой два диска одинакового диаметра, находящиеся на одной оси. В дисках по их окружностям просверлен ряд отверстий друг напротив друга,, через которые продувают мощную струю воздуха. При вращении одного диска относительно другого происходит периодическое прерывание струи воздуха, что создает звуковую волну. Если диск вращается, делая п оборотов в секунду, а по его окружности расположено N отверстий, то частота испускаемого звука будет v = nN. Меняя угловую скорость вращения одного из дисков (ротора), можно плавно изменять частоту излучаемого звука. Сирены обычно применяют в железнодорожном, морском транспорте, в ПВО и т. п. При больших скоростях вращения сирены могут быть источниками ультразвука.
Для получения однотональных звуков, применяющихся в измерительной технике и в биофизических исследованиях, мембраны телефонов и громкоговорителей приводят в колебательное движение электромагнитами, в обмотку которых подается переменный электрический ток звуковой частоты от приборов, называемых звуковыми генераторами. Звуковые генераторы, рассчитанные на различные диапазоны частот, выпускаются промышленностью и широко используются в лабораторной практике.
Приемники звука. К ним относят микрофоны (в воздухе) и гидрофоны (в жидкостях), преобразующие механическую величину (звуковое давление) в электрическую (силу тока). Основной механической деталью этих приборов служит мембрана, которая под действием падающей на нее волны приводит в вынужденные колебания. Наибольшее распространение получили электродинамические микрофоны, к мембране которых прикреплена катушка с витками проволоки, помещенная в кольцеобразный зазор постоянного магнита. Когда катушка вместе с мембраной колеблется под действием звука, то при движении ее в магнитном поле в витках катушки создается переменная эдс индукции, регистрируемая чувствительным электроизмерительным прибором. В гидрофонах непосредственно под мембраной находится пьезоэлектрический элемент, в котором под действием механического давления возникает переменная разность потенциалов.
Электрические колебания, возникающие в приемниках звука,, можно усиливать электронными усилителями и подавать затем на громкоговоритель. Таким образом, звуки, которые наше ухо непосредственно не воспринимает (например, звуки, издаваемые рыбами), становятся слышимыми. Электрические колебания могут быть записаны на магнитную ленту, и в настоящее время имеются обширные фонотеки с голосами животных, птиц и рыб. Измеряя силу тока, создаваемого микрофонами и гидрофонами, можно определять звуковое давление и интенсивность падающего на мембрану звука. Один из наиболее чувствительных приемников звука – ухо млекопитающих.
