Акустичний резонанс

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 72

Одне з найважливіших досягнень ХХ століття — це розуміння ролі зворотних зв’язків у складних системах. Звичайно, неусвідомлено ними користується будь-який живий організм, та й у своїй практиці технічної діяльності людина використовувала їх у різний час і в різних конструкціях; класичний приклад — регулятор у паровій машині Джеймса Уатта. І навпаки, незнання або нехтування позитивними і негативними зворотними зв’язками неминуче призводить до серйозних аварій.

Найближчі приклади зворотних зв’язків ми можемо побачити в годиннику, маятнику або гойдалці, але особливо наочно — в музиці. Саме в спостереженнях за звуком народилося поняття резонансу, а у стародавніх римлян це слово означало просто відзвук. Видавати звук здатна і тріска, і натягнута нитка, і навіть травинка, але набагато голосніше і багатше вони звучать при додаванні до них деякого обсягу повітря — резонатора. Наприклад, багато дітей «раньшого часу» робили телефон з нитки з якимись коробочками, а люди мого покоління пам’ятають рупори на волзьких пароплавах. Не можу втриматися від згадки кумедного епізоду з величезним саморобним рупором американського хлопчика Роберта Вуда, який став згодом видатним фізиком і якому присвячена чудова книга В. Сібрука «Роберт Вуд. Сучасний чародій фізичної лабораторії «:

«… Іншим зразком пустощів, особливо підходив до характеру Вуда, був жарт з дверними дзвінками нового будинку, який був збудований недалеко від Латинської школи, де Роб помирав від нудьги. Було щось привабливе в довгому ряді переговорних трубок з кнопками внизу у вестибюлі. Одного разу Робу прийшла в голову ідея, що дуже просто «замкнути коротко» ці трубки. Те, чого йому не вистачало для цього, він знайшов вдома в чулані, де зберігалися папір, мотузки і всякий непотріб. Це була довга картонна трубка близько трьох дюймів діаметром. Він приставив її до низки переговорних трубок у вестибюлі, намітивши гуртки, що відповідають їхнім отворам. Потім він вирізав дірки у зазначених місцях пірочинним ножем, а кінці трубки заткнув. Далі за допомогою свого друга і сусіда по будинку він прикріпив це пристосування до переговорних трубок, в результаті чого вийшла «перемичка», яка давала можливість мешканцям будинку говорити один з одним. Потім маленькі чертенята натиснули кнопки виклику, почавши з верхнього поверху, щоб забезпечити собі безпечний відступ. Треба уявити, яке вавилонське стовпотворіння відбулося в будинку «.

Придивіться до музичних інструментів, погляньте на якийсь саксофон. Яка краса, як складно було придумати таку форму і зробити її руками, але зате і звучить прекрасно! Нічого не розуміючи в науці про звук, акустику, легко відчуваю відмінність звуків мови лектора в двох аудиторіях саратовського університету. Одна створена в 1913 році архітектором-художником К. Мюфке, а іншу безіменний ремісник через якихось сорок років спробував з неї скопіювати. Мені приводилося читати лекції і в одній, і в іншій аудиторії, і швидко починаєш розуміти, що акустика не наука, але високе мистецтво.

А тепер поговоримо про найпростіший і дуже доступний будь-якому школяреві досвіду з резонансу в акустиці. Все, що потрібно для такого досвіду, знаходиться у кожного школяра буквально перед очима.

Ріс. 1

Ось на фотографії (рис. 1) видно клавіатуру ноутбука і кришку від пляшки. Верхній отвір кришки прикрито монетою, інша монета піднімає з одного боку кришку для доступу в неї звуку. Приблизно за метр від комп’ютера закріплені звукові колонки, з регулятором гучності природно. Так от, якщо кришку донечком вгору підносити до маленького отвору для мікрофона поруч з клавіатурою на передній панелі ноутбука, а регулятор гучності поставити майже на максимум, то, коли залишиться зазор в пару міліметрів, з колонок починає литися пронизливий звук однієї частоти. Висоту цього тону можна змінювати різними способами — вибором відстані кришки до мікрофона, рівнем гучності на колонці, величиною і формою посудини, що замінює кришку.

Ріс. 2

На іншому знімку (рис. 2) резонатором служить порожній склянка. Можливі й інші, найрізноманітніші варіанти.

Чомусь велике враження справляє такий своєрідний резонатор із залізної трубки, до якої вдало підходить витончений пластиковий елемент затору сучасних пляшок — з трьома невеликими отворами (рис. 3). Щільно вставивши пластикову деталь в трубку, дуже близько підносимо трубку вертикально або майже вертикально до мікрофонного отвору на передній панелі ноутбука і отримуємо пронизливий звук. А його висоту можна змінювати, прикриваючи різною мірою отвори в пластиковій вставці.

Ріс. 3

Можна сказати, що випадковий слабкий звук, що потрапив в мікрофон, посилюється електричною системою комп’ютера і колонок, знову приходить в мікрофон, ще проходить по тракту посилення, а одна з частот в цьому звуці посилюється особливо істотно, збігаючись з деякою власною частотою системи. При резонансі сигнал стає дуже гучним. Це позитивний зворотній зв’язок. Але для якісного звучання будь-якого інструменту конструкція повинна мати і негативний зворотний зв’язок — для запобігання зайвих резонансів, інакше звук буде тільки дратувати вухо.

Власне, це гранично спрощена модель чудового винаходу Льва Сергійовича Термена (1896-1993), який так і називався «терменвокс», тільки в цьому приладі зворотний зв’язок здійснювався електричним шляхом. Наближення руки виконавця змінювало ємність коливального контуру в генераторі, і його частота підвищувалася або знижувалася. Потім це переводилося в звук, і на інструменті (не торкаючись до нього!) вдавалося відтворювати мелодії з унікальним звучанням.

Коротше кажучи, пропонований досвід представляє широке поле можливостей для школяра — наприклад, вибирає тему для проекту і доповіді на учнівській конференції.