Для школьников.
Камертон представляет собой устройство, состоящее из металлического стержня с двумя ножками. При ударе по ножке камертон издаёт звук. Камертон является особым источником звука, испускающим звук единственной (основной) частоты - чистый звук.
Вибрирующий камертон излучает слабую звуковую волну по нескольким причинам.
В частности, потому что его ножки колеблются навстречу друг другу, то есть в противофазе. Поэтому в любой точке окружающего воздуха волна, создаваемая одной ножкой камертона, ослабляется вследствие интерференции с противофазной волной от другой ножки.
Плохое излучение звука камертоном объясняется ещё малыми размерами его ножек. Почему?
При каждом движении одной из ножек камертона перед ней образуется сжатие воздуха (повышение его давления). А позади ножки образуется разрежение воздуха (понижение его давления). Иначе, образуется местное возмущение воздуха, сопровождающееся тем, что частицы воздуха начинают совершать колебательные движения около своих положений равновесия.
Благодаря возникшему перепаду давлений происходит выравнивание давления (и плотности) воздуха по обе стороны ножки камертона.
Процесс выравнивания давления происходит с той же скоростью, что и скорость создаваемой звуковой волны, то есть за половину периода этот процесс охватывает пространство размером в половину длины волны.
Размеры же камертонной ножки гораздо меньше половины длины волны, поэтому образуемые ею сжатия и разряжения воздуха очень сильно ослабляются, а значит, сильно ослабляется и излучаемая волна.
Отсюда следует вывод: для хорошего излучения звука размеры вибрирующего тела должны быть не малы по сравнению с длиной звуковой волны в окружающей среде.
Именно по этой причине (из-за малого размера ножек камертона) для усиления звука вибрирующий камертон помещается на пустой ящик без одной стенки (резонансный ящик):
Усиление звука при этом объясняется так. При звучании камертона его стержень колеблется вдоль своего направления (см. рисунок):
Эти колебания стержня передаются стенке ящика.
В результате воздух то втягивается в ящик, то выталкивается из него, то есть происходят колебания воздуха в ящике.
В ящике можно возбудить стоячие волны основной (наименьшей) частоты, когда на длине ящика уложится четверть длины волны (рис. а).
Можно также получить стоячие волны первого обертона (рис. б), когда на длине ящика образуется второй узел стоячей волны - на расстоянии половины волны от первого узла и четверти волны от открытого конца (на открытом конце ящика всегда имеет место пучность).
На рис. в) показана стоячая волна соответствующая второму обертону.
При равенстве частоты колебаний воздуха в ящике частоте колебаний камертона (явление резонанса), колебания воздуха в ящике резко усилятся и звук, исходящий из отверстия ящика, будет значительно сильнее звука камертона. Поэтому такие ящики и называют резонансными ящиками или резонаторами.
Из-за больших размеров резонансного ящика выравнивание давления вокруг него гораздо меньше, чем вокруг ножки камертона.
Таким образом, резонансный ящик существенно усиливает интенсивность звука камертона.
В струнных музыкальных инструментах роль колеблющегося камертона играет колеблющаяся струна, а роль резонансного ящика играет корпус инструмента, заполненный воздухом.
Вопрос:
Зачем камертон делают с двумя ножками? Что будет, если одну из ножек камертона отпилить?
Если одну из ножек камертона отпилить, то звук усилится, так как не будет интерференции волн от ножек, колеблющихся в противофазе.
Но при колебании одной ножки, центр масс камертона не останется неподвижным, как при колебаниях двух ножек.
Следовательно, при колебании камертона с одной ножкой его рукоятка должна быть жёстко закреплена (например, зажата в тиски).
Таким образом, наличие двух ножек у камертона делает ненужным его жёсткое закрепление и позволяет пользоваться им, держа рукоятку в руке, что удобно.
Далее посмотрите фильм посвящённый акустике (звуку), содержащему темы, рассмотренные нами в предыдущих статьях.
Итак, на этом заканчиваем рассмотрение механических волн. Далее, в скором времени, перейдём к теме "Электромагнитные волны".
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Инфразвук. Эффект Доплера для звуковых волн.
Следующая запись: Физика и музыка. Тембр звука. Основной тон. Обертоны.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .