Звук: резонанс и интерференция

Звуковые волны могут порождать вынуждающую силу, которая, если её приложить к колебательной системе, может вызвать резонанс.

Например, если взять два одинаковых камертона и ударить по одному, то второй начнёт колебаться.

Во многих музыкальных инструментах используется эффект резонанса – например, полость внутри гитары устроена так, что воздух в ней вступает в резонанс от звуков струн. В результате получается большая амплитуда колебаний и громкий звук.

Интерференция

Ещё одна важная особенность волн – в том числе звуковых – это интерференция.

Если волны от двух разных источников распространяются в одной и той же среде, колебания от них складываются.

На картинке ниже показано, как две волны от разных источников сталкиваются и порождают суммарные колебания.

Если оба источника волн будут работать на одной частоте и в одной фазе, и расстояние между ними будет равно длине волны, то обе волны сложатся так, что сумма будет равна нулю, то есть две волны погасят друг друга.

Если же расстояние будет равно полутора длинам волн, то две волны наоборот, идеально сложатся и породят волну с удвоенной амплитудой.

Это явление взаимного усиления и ослабления волн называется интерференцией.

Закономерность интерференции такая: если от некоторой точки до источников звука разница расстояний (разность хода двух волн) равна нечётному числу полуволн (0.5λ, 1.5 λ, 2.5 λ), то в этой точке волны ослабляют друг друга. Если же разность хода двух волн до некоторой точки равна чётному числу полуволн (целому числу волн), то в этой точке амплитуда колебаний складывается.

Закономерность выполняется, только есть источники волн работают на одной частоте, в одинаковой фазе и с равной амплитудой (такие источники называются когерентными).

Если мы включим два когерентных громкоговорителя и станем измерять громкость в разных точках пространства, мы увидим чередующиеся зоны усиления и ослабления волн, причём эти области будут стабильными во времени – где сейчас волны гасят друг друга, там же они друг друга будут гасить и через минуту. Такое распределение минимумов и максимумов громкости называется интерференционной картиной.

Ниже показано, как выглядит интерференционная картина волн на воде:

​​​​​​​