Конспект резонанс в акустике
Обновлено: 05.07.2024
При совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой колебательной системы происходит явление резонанса — резкого увеличения амплитуды механического колебания.
допустим, вы шагаете по тонкой доске, перекинутой через речку. Когда частота ваших шагов совпадёт с частотой или периодом всей системы (доска-человек), то доска начинает сильно колебаться (гнуться вниз и вверх). Если вы продолжите двигаться такими же шагами, то резонанс приведёт к усилению амплитуды колебания доски, которая выходит за пределы допустимого значения системы, и это в конечном счёте приведёт к неминуемой поломке мостика.
Для опыта необходимо взять два одинаковых камертона. Для передачи и приёма звуковых волн отверстия ящиков резонаторов направим друг к другу (рис. \(1\)).
Палочкой с резиновым наконечником вызовем в левом камертоне гармонические колебания. Погасим эти колебания рукой. Правому камертону по воздуху (упругой среде) передались эти колебания и вынудили второй камертон звучать. Даже после остановки первого камертона второй ещё звучит. Так как конструкции камертонов идентичны, то и параметры колебаний будут одинаковы: частота воздействия первого камертона на второй будет совпадать с собственными колебаниями второго камертона и вызовут в нём резонанс.
Проведём эксперимент: поменяем период колебаний правого камертона. Для этого наденем на его ножку муфту, шайбу или гайку. И он сразу перестанет отзываться на колебания, которые создает левый камертон. Это значит, что изменилась собственная частота правого камертона и, как следствие, не происходит усиления колебаний, принимаемых от левого камертона, их амплитуда становится настолько малой, что мы уже не услышим звук.
При звучании камертона колебания передаются ящику. Их частота совпадает с основной частотой колебания воздуха в ящике. Поэтому звуковая волна резонансно усиливается.
Резонатор есть не только у камертона. Он есть у гитары, балалайки, скрипки и других музыкальных инструментов. Это не что иное, как часть корпуса инструмента - дека (рис. \(2\)). Дека усиливает звук, издаваемый струнами, а также придает определенный тембр звучанию. Поэтом мы способны отличить мелодию, исполняемую на скрипке, от той же мелодии, исполняемой на гитаре или фортепиано.
Тембр одного и того же музыкального инструмента зависит от формы и размера резонатора, а еще от качества древесины и лака, которым он покрыт. Само собой, что тембр звука будет зависеть и от материала и формы струны (гладкая сируна звучит иначе, чем витая).
А усиливается ли звук голосовым аппаратом человека? А что является резонатором? Что является источником звука?
Источник звука — голосовые связки (рис. \(3\)). Голосовые связки начинают колебаться при прохождении воздуха из лёгких. Эти колебания создают звук, основной тон которого зависит от натяжения голосовых связок. Этот звук содержит множество обертонов.
При попадании в гортань усиливаются только те обертоны, частота колебаний которых близка к собственной частоте гортани (явление резонанса). После этого звуковые волны попадают в полость рта.
Усиление звуковых колебаний происходит также в полости глотки, рта, носа, которые являются как бы продолжением гортани. Их называются верхними (головными) резонаторами. Те резонаторы, которые находятся ниже гортани, в грудной клетке — трахея, бронхи, — нижние резонаторы (грудные).
Формирование гласных звуков в гортани человека происходит при особой конфигурации губ, языка и ротовой полости как резонатора.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Физика 9 класс
Тема : Звуковой резонанс.
Цель : Сформировать у учащихся понятие отражения звука, показать, какие условия необходимы для существования эха; познакомить со способами усиления звука, выяснить условия возникновения звукового резонанса. Продемонстрировать связь физики с музыкой.
Способствовать формированию информационной культуры учащихся и развитию умения анализировать, сравнивать, делать выводы.
Способствовать формированию коммуникативной культуры учащихся и воспитанию эстетического вкуса.
Оборудование : 2 камертона.
Тип урока : комбинированный.
Методы и формы : демонстрация опытов, работа с учебником, решение задач, словесные, объяснение с элементами беседы.
1. Орг. момент.
2. Проверка д/з и опрос учащихся.
1. Какие колебания называют звуковыми?
2. Формула скорости звуковой волны.
3. Чему равна скорость звука в воздухе?
4. От чего зависят громкость и высота звука?
5. Когда возникает резонанс?
Изложение нового материала.
Берем 2 одинаковых камертона, ударяем по первому, а второй начинает звучать. Почему?
Учащиеся объясняют и приходят к выводу, что звуковые волны могут резонировать.
Акустически й резонанс возникает при совпадении собственных частот колебаний камертонов.
А так как второй камертон никто не возбуждал, то приходим к выводу, что он был возбужден колебаниями воздуха, дошедшими к нему от первого камертона.
Деревянный корпус камертона (резонаторный ящик) усиливает громкость звука, т.е. амплитуду. При изготовлении ящика его настраивают на частоту колебаний камертона. Звучание камертона и ящика происходит синхронно, т.е. с одинаковой частотой.
Если взять разные камертоны будет ли наблюдаться акустический резонанс?
Путем рассуждения ученики приходят к выводу, что второй камертон звучать не будет, так как собственные частоты камертонов не совпадают.
Явление резонанса используется для усиления звука колеблющихся тел.
Для усиления звука музыкальные инструменты должны иметь резонаторный ящик.
Придя в собор, где играет органная музыка, можно заметить, что вся стена заполнена огромными трубами всех размеров. Некоторые из них очень короткие, а другие доходят до потолка. Для чего нужны все трубы? Когда начинает играть прекрасная музыка, можно понять, что звук исходит от труб, он очень громкий и, кажется, заполняет весь собор. Как такие трубы могут звучать так громко? Во всем виноват акустический резонанс, и он не является единственным инструментом, который использует это удивительное явление.
Интересные факты о звуке.
Значительные психотропные эффекты сильнее всего выказываются на частоте 7 Гц, созвучной альфаритму природных колебаний мозга, причем любая умственная работа в этом случае делается невозможной, поскольку кажется, что голова вот-вот разорвется на мелкие кусочки. Инфрачастоты около 12 Гц при силе в 85–110 дБ, наводят приступы морской болезни и головокружение, а колебания частотой 15–18 Гц при той же интенсивности внушают чувства беспокойства, неуверенности и, наконец, панического страха.
Еще один интересный факт. Многие знают, что если поднести ракушку к уху то можно услышать звук моря. Так вот хочу вас расстроить, то, что вы слышите на самом деле является струящейся кровью по венам у вас в ухе, а слышите вы это, потому что когда вы подносите раковину к уху происходит звуковой резонанс (резкое увеличение звучания), где резонатором является раковина, поэтому вы и слышите этот звук. Мы могли бы слышать его всегда, если бы он не был таким тихим,
Закрепление материала.
Почему при некоторой скорости трамвая оконные стекла начинают дребезжать?
При пении Ф.И. Шаляпина дрожали подвески хрустальных люстр и даже лопались в них плафоны в концертном зале. Почему?
Как изменится высота звука, издаваемого циркулярной пилой, если на ней начать
распиливать толстую доску из плотной древесины?
Решение задач.
Какова частота колебании камертона, если длина звуковой волны 50 см, а скорость распространения волн 330 м/с. (У доски)
Наблюдатель стоит на расстоянии 300 м от высокой горы. Через какой промежуток времени он услышит эхо произнесенного слова? Скорость звука равна 340 м/с.
4. Звук взрыва, произведенного в воде вблизи поверхности, приборы, уста-
новленные на корабле и принимающие звук по воде, зарегистрировали
на 50 с раньше, чем он прошел по воздуху. На каком расстоянии от корабля
произошел взрыв? (решают самостоятельно)
5. Подведение итога урока с выставлением и комментированием оценок.
1. Сформировать понятие отражение и поглощение звука.
2. Выяснить условия возникновения эха акустического резонанса,
3. Объяснить, зачем нужны резонаторы и что такое реверберация.
1. Организационный момент.
2. Мотивационный модуль. Выполнение заданий мотивационного модуля.
3. Объяснение нового материала. Объясняющий модуль Прослушать объяснения.
4. Закрепление нового материала. Тренировочный модуль Выполнение заданий из тренировочного модуля
Явление резонанса возникает в колебательных системах любой природы. Но наиболее часто наблюдается явление акустического (звукового) резонанса. Рассмотрим его подробнее.
Резонанс в колебательных системах
Напомним, что резонанс – это резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний, когда подводимая частота приближается к собственной частоте колебаний системы. Именно при этом создаются наилучшие условия подведения энергии к системе.
Рис. 1. Явление резонанса.
Звуковой резонанс
Для наблюдения явления звукового резонанса необходимо иметь звуковую колебательную систему с возможностью подведения к ней энергии с частотой близкой к ее собственной частоте колебаний. Простейшим случаем такой системы является струна акустической гитары. Зажимая струну на разных ладах, можно изменять частоту ее собственных свободных колебаний.
Кажется естественным, что ударяя по одной струне – нельзя заставить колебаться другую. Но это не совсем так.
Колеблющаяся струна создает вокруг себя звуковые колебания своей частоты. Эти воздушные колебания воздействуют и на другие струны, но, поскольку их собственные частоты отличаются, то создаются неблагоприятные условия подведения энергии к другим струнам. Например, первая (самая тонкая) струна популярной шестиструнной гитары настраивается на частоту 330 Гц. А вторая струна – на частоту 245 Гц. Ударяя по второй струне – мы никак не сможем заметно колебать первую струну.
Кроме одного случая – когда вторая струна зажата на пятом ладу. В этом случае удар по ней приведет к тому, что колебаться будет не только она. Через полсекунды будет заметно и колебание первой струны.
Рис. 2. Резонанс струн гитары.
Что происходит ?
Колебания второй струны вызывают акустические колебания воздуха с частотой ее собственных колебаний. Колебания воздуха действуют и на первую струну. Однако, поскольку ее собственная частота заметно отличается от подводимой частоты, результирующие вынужденные колебания имеют очень малую амплитуду.
Зажимая вторую струну на пятом ладу, мы изменяем частоту ее собственных колебаний (фактически, немного уменьшая массу колеблющейся части струны). И теперь эта частота становится очень близка к собственной частоте колебаний первой струны. Создаются наиболее благоприятные условия для подведения энергии колебаний к первой струне, возникает звуковой резонанс, и первая струна начинает колебаться так сильно, что это становится заметно на глаз.
Воздушные резонаторы
Поскольку звуковые колебания хорошо распространяются в воздухе, любые полости с воздухом обладают собственными частотами свободных колебаний. Звуковые волны, отражаясь от одной границы полости, двигаются к другой границе, отражаются от нее, двигаются обратно, снова отражаются – возникают свободные колебания некоторой частоты. Теперь, если к полости подводить звук с такой частотой – возникнет акустический резонанс, и результирующая громкость звука значительно возрастет.
Резонирующие свойства звуковых полостей широко используются не только строителями концертных залов, но и Природой – звуковоспроизводящие органы всех живых существ (в том числе человека) имеют такие полости-резонаторы.
Рис. 3. Голосовые резонаторы.
Что мы узнали?
Наиболее часто явление резонанса наблюдается для звука. Любая воздушная полость обладает некоторой собственной резонансной частотой и способна к акустическому резонансу. Такие полости используются в концертных залах, такие полости есть в звуковоспроизводящих органах всех живых существ.
Читайте также: