Что уменьшает гул в большом помещении?

Звукопоглощающие панели

Гладкие кафельные стены

Когда наступает звуковой резонанс?

Когда частота приходящей волны совпадает с собственной частотой тела

Когда звук очень громкий

Когда звук отражается от стены

Когда тело не может колебаться

Отражение звука и резонанс — 9 класс, физика: объяснение, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Распространение звука. Звуковые волны

Коротко о главном

Эхо — это звук, отразившийся от преграды и вернувшийся к нам. Его слышно отдельно, если он возвращается не раньше чем через 0,06 с. Расстояние до преграды находят по времени возврата эха:

s = \frac{vt}{2}

Звуковой резонанс — сильное «отзывание» тела на звук, частота которого совпадает с собственной частотой этого тела.

Подробное объяснение

Крикните в пустом подъезде или у края леса — через мгновение голос вернётся к вам. А в комнате с мебелью эха нет, хотя звук отражается и там. Разберёмся почему.

Отражение звука и эхо

Звуковая волна, дойдя до преграды — стены, скалы, опушки леса, — частично отражается и идёт обратно. Этот отражённый звук и есть эхо. Лучше всего отражают твёрдые гладкие поверхности: бетон, кафель, камень. Мягкие и пористые — ковры, шторы, поролон — большую часть звука поглощают.

Ухо различает два звука как отдельные, только если между ними проходит не меньше 0,06 с. В обычной комнате отражённый звук возвращается гораздо быстрее и сливается с исходным. Поэтому эха нет, а мебель и шторы вдобавок гасят отражения.

В большом пустом зале картина другая. Звук много раз отражается от стен, пола и потолка, отражённые волны набегают на новые звуки, и вместо чёткой речи слышен гул. Стены концертных залов и аудиторий поэтому облицовывают звукопоглощающими материалами.

На отражении основан и рупор — расширяющаяся труба. Звук отражается от её стенок и идёт узким пучком, а не во все стороны, поэтому слышен дальше.

Расстояние по эху

За время $$t$$ от крика до эха звук проходит путь до преграды и обратно, то есть удвоенное расстояние $$2s$$ .

Человек и стена-преграда на расстоянии s. Звук идёт к стене и, отразившись, возвращается обратно — всего он проходит 2s, поэтому s = vt/2. — До преграды и обратно звук проходит удвоенное расстояние — поэтому в формуле эха делят на 2.

Значит, $$2s = vt$$ , откуда

s = \frac{vt}{2}.

Здесь $$s$$ — расстояние до преграды в метрах, $$v$$ — скорость звука в м/с (в воздухе около 340 м/с, в воде около 1500 м/с), $$t$$ — время от подачи звука до прихода эха в секундах. Отсюда же видно, что эхо в воздухе слышно, только если до преграды не меньше $\dfrac{340 \cdot 0{,}06}{2} \approx 10$ м. Так же устроены эхолоты кораблей: прибор посылает импульс ко дну и ловит отражение.

Звуковой резонанс

При резонансе амплитуда вынужденных колебаний становится наибольшей, если частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой тела. Звуковая волна — тоже периодическое воздействие. Поставим рядом два одинаковых камертона и ударим по одному: второй начнёт звучать сам. Если же изменить частоту второго, например надеть на него грузик, он «замолчит».

Камертоны ставят на деревянные ящики — резонаторы. Воздух в ящике колеблется в резонанс с камертоном, и звук становится громче. Энергия удара при этом та же, поэтому громкий звук затухает быстрее. В гитаре и скрипке резонатором служит корпус, он же придаёт инструменту свой тембр. У человека резонаторы — гортань и полость рта: они усиливают нужные обертоны голосовых связок, и так получаются разные гласные.

Как решать задачи

Выпишите, что дано: время эха $$t$$ , скорость звука $$v$$ (в воздухе 340 м/с, если не сказано иное), или расстояние $$s$$ .
Помните: за время эха звук проходит путь $$2s$$ — туда и обратно.
Запишите $$2s = vt$$ и выразите нужную величину: $s = \dfrac{vt}{2}$ или $t = \dfrac{2s}{v}$ .
Подставьте числа в СИ и посчитайте.
Проверьте ответ на здравый смысл: скала в горах — сотни метров, стена комнаты — несколько метров.

Разобранные примеры

База

Как далеко лес

Условие

Туристы на поляне крикнули в сторону леса и услышали эхо через 1,2 с. На каком расстоянии от них опушка? Скорость звука 340 м/с.

Дано

$$t = 1{,}2$$ с
$$v = 340$$ м/с

Найти

$$s$$

Решение

Звук дошёл до леса и вернулся, то есть прошёл $$2s$$ :

s = \frac{vt}{2} = \frac{340 \cdot 1{,}2}{2} = 204 \text{ м}.

Ответ: 204 м

Средний

Будет ли эхо в классе

Условие

Ученик стоит у задней стены класса и хлопает в ладоши. До противоположной стены 8 м. Услышит ли он эхо? Скорость звука 340 м/с, эхо различимо при задержке не меньше 0,06 с.

Дано

$$s = 8$$ м
$$v = 340$$ м/с
$t_{\min} = 0{,}06$ с

Найти

$$t$$ и сравнить с $t_{\min}$

Решение

Время возврата отражённого звука:

t = \frac{2s}{v} = \frac{2 \cdot 8}{340} \approx 0{,}047 \text{ с}.

Это меньше 0,06 с, поэтому отражённый хлопок сольётся с исходным.

Ответ: Нет, эха не будет: звук вернётся примерно через 0,047 с, а нужно хотя бы 0,06 с.

Сложный

Хлопки в такт эху

Условие

Девочка стоит перед высокой стеной и хлопает ровно 2 раза в секунду. Она подобрала расстояние так, что эхо каждого хлопка приходит точно в момент следующего хлопка. Как далеко она от стены? Скорость звука 340 м/с.

Дано

2 хлопка в секунду
$$v = 340$$ м/с

Найти

$$s$$

Решение

Промежуток между хлопками $t = \dfrac{1}{2} = 0{,}5$ с. За это время звук должен дойти до стены и вернуться:

s = \frac{vt}{2} = \frac{340 \cdot 0{,}5}{2} = 85 \text{ м}.

Ответ: 85 м

Типичные ошибки

Не делят на 2

Почему неверно

Ученик считает $$s = vt$$ и получает расстояние вдвое больше настоящего. Но за время эха звук проходит путь до преграды и обратно.

Как правильно

Пишите сначала $$2s = vt$$ , а потом $s = \dfrac{vt}{2}$ . Полезно нарисовать схему со стрелками «туда» и «обратно».

Думают, что в маленькой комнате звук не отражается

Почему неверно

Звук отражается от стен любой комнаты. Эха нет потому, что отражённый звук приходит раньше чем через 0,06 с и сливается с исходным, а мебель и шторы часть звука поглощают.

Как правильно

Говорите: «отражение есть, но задержка слишком мала, чтобы услышать его отдельно».

Считают, что резонатор добавляет энергию

Почему неверно

Ящик камертона или корпус гитары не создаёт энергию, он лишь помогает быстрее отдать её воздуху в виде звука.

Как правильно

Резонатор делает звук громче, но короче: тот же запас энергии расходуется быстрее.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Грибник крикнул в сторону скалы и услышал эхо через 3 с. На каком расстоянии от него скала? Скорость звука в воздухе 340 м/с.

Подсказка

За 3 с звук сходил до скалы и вернулся обратно.

Решение

Дано

$$t = 3$$ с
$$v = 340$$ м/с

Найти

$$s$$ . Звук прошёл путь $$2s = vt$$
значит $s = \dfrac{vt}{2} = \dfrac{340 \cdot 3}{2} = 510$ м

Ответ

510 м

База Задача 2

Мальчик стоит в 17 м от стены гаража и хлопает в ладоши. Через сколько секунд до него дойдёт отражённый звук? Скорость звука 340 м/с.

Подсказка

До стены и обратно — это 34 м.

Решение

Дано

$$s = 17$$ м
$$v = 340$$ м/с

Найти

$$t$$ . Путь звука $$2s = 34$$ м
$t = \dfrac{2s}{v} = \dfrac{34}{340} = 0{,}1$ с

Ответ

0,1 с

Средний Задача 3

Эхолот рыболовного судна послал звуковой импульс вниз и принял отражение от дна через 0,6 с. Какова глубина моря в этом месте? Скорость звука в воде 1500 м/с.

Подсказка

Эхолот работает так же, как эхо в горах, только звук идёт в воде.

Решение

Дано

$$t = 0{,}6$$ с
$$v = 1500$$ м/с

Найти

$$h$$ . Импульс прошёл до дна и обратно: $$2h = vt$$
$h = \dfrac{1500 \cdot 0{,}6}{2} = 450$ м

Ответ

450 м

Средний Задача 4

В новом пустом спортзале тренера почти не слышно — стоит гул. После того как стены обшили мягкими панелями, команды стало слышно чётко. Объясните почему.

Решение

В пустом зале звук многократно отражается от гладких стен, пола и потолка. Отражённые волны приходят с небольшими опозданиями и накладываются на новые звуки, получается гул. Мягкие панели поглощают большую часть падающего звука, отражённых волн становится мало, и речь не смазывается.

Ответ

Панели поглощают звук и уменьшают отражения, из-за которых возникал гул

Сложный Задача 5

Турист стоит между двумя отвесными скалами ущелья и стреляет из стартового пистолета. Первое эхо он слышит через 1,5 с, второе — через 2,5 с. Каково расстояние между скалами? Скорость звука 340 м/с.

Подсказка

Найдите расстояние до каждой скалы отдельно и сложите.

Решение

Дано

$t_1 = 1{,}5$ с
$t_2 = 2{,}5$ с
$$v = 340$$ м/с

Найти

$$L$$ . До ближней скалы $s_1 = \dfrac{vt_1}{2} = \dfrac{340 \cdot 1{,}5}{2} = 255$ м
до дальней $s_2 = \dfrac{vt_2}{2} = \dfrac{340 \cdot 2{,}5}{2} = 425$ м. Турист между скалами
поэтому $$L = s_1 + s_2 = 680$$ м

Ответ

680 м

Сложный Задача 6

Камертон, закреплённый на деревянном ящике с открытым торцом, звучит громче, чем тот же камертон, который держат в руке, но затихает быстрее. Почему звук громче и почему он короче?

Решение

Собственная частота столба воздуха в ящике подобрана равной частоте камертона. Возникает резонанс, ящик и воздух в нём колеблются с большой амплитудой и излучают звук гораздо эффективнее — громкость растёт. Но энергия удара одна и та же. Раз она быстрее уходит в звук, её хватает на меньшее время — по закону сохранения энергии звук становится короче.

Ответ

Резонанс воздуха в ящике усиливает излучение звука, но запас энергии тот же, поэтому он быстрее расходуется

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Выйдите во двор к длинной стене дома или в пустой подъезд и хлопните в ладоши — ребёнок услышит эхо. Спросите, почему в комнате такого нет. Затем посчитайте: если эхо от стены пришло через полсекунды, до неё $340 \cdot 0{,}5 / 2 = 85$ м. Для резонанса возьмите два одинаковых бокала: проведите мокрым пальцем по краю одного, у второго, стоящего рядом, может задрожать налитая вода. Или прижмите ручку камертона либо вибрирующего телефона к столу — звук станет громче.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему в формуле эха делят на 2? 2) Почему в пустом спортзале гул, а в спальне нет? 3) Зачем гитаре деревянный корпус?

На что обратить внимание. Главная ловушка — путь звука «туда и обратно». Следите, чтобы ребёнок брал скорость звука для нужной среды: в воздухе 340 м/с, в воде около 1500 м/с.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 33	—