§ 52. Условия хорошего излучения звука

В предыдущем параграфе мы отметили, что резонансный ящик существенно усиливает интенсивность звука камертона. Происходит ли только благодаря тому, что воздушный столб в ящике резонирует на частоту камертона, или же здесь играют роль еще какие-нибудь условия? Выяснением этого вопроса мы теперь и займемся.

Рассмотрим, что происходит около одной из ножек звучащего камертона. При движении ножки в какую-либо сторону перед ней образуется сжатие воздуха и, следовательно, повышение давления, а позади нее — разрежение воздуха и понижение давления. Благодаря этому перепаду давления происходит выравнивание давления (и плотности) воздуха по обе стороны ножки (рис. 109). Процесс выравнивания давления распространяется с той же скоростью, что и звуковая волна, т. е. за полпериода он охватывает пространство размером в полуволны. Размеры же камертонной ножки гораздо меньше полуволны. Поэтому образуемые ею сжатия и разрежения воздуха очень сильно ослабляются из-за выравнивания давлений по обе ее стороны, а значит, сильно ослаблена и излучаемая волна. Мы приходим к выводу, что для хорошего излучения размеры тела должны быть не малы по сравнению с длиной волны в окружающей среде. Именно этим преимуществом обладает резонансный ящик, так как его длина равна четверти волны и выравнивание давления вокруг него гораздо меньше, чем вокруг камертонной ножки.

Рис. 109. Вид на ножку камертона сверху. Жирной стрелкой показано направление ее движения, а тонкими стрелками – распространение волны сжатия вокруг ножки

Легко сделать и еще одно заключение: колеблющееся тело лучше излучает высокие частоты (для которых длина волны невелика по сравнению с размерами тела), чем низкие, так как для длинных волн выравнивание давления сказывается сильнее. Например, мембрана динамического громкоговорителя диаметра около  хорошо излучает частоты, превышающие , и плохо излучает низкие частоты. Это портит тембр звука, и чтобы его улучшить, нужно затруднить выравнивание давления по обе стороны мембраны для длинных волн. С этой целью громкоговоритель закрепляют в отверстии, проделанном в большой доске (рис. 110), которая удлиняет расстояние между передней и задней поверхностями мембраны. При таком устройстве излучение звуков с низкими частотами значительно усиливается.

Рис. 110. Громкоговоритель, вмонтированный в большую доску

Камертон плохо излучает не только потому, что невелико излучение каждой ножки, но и потому, что обе ножки, расстояние между которыми гораздо меньше длины волны, колеблются навстречу друг другу, т. е. в противофазе. Поэтому во всякой точке окружающего воздуха волна, создаваемая одной ножкой камертона, ослабляется вследствие интерференции с противофазной волной от другой ножки.

Очевидно, уничтожив или, по крайней мере, ослабив излучение одной из ножек камертона, мы должны получить выигрыш в интенсивности звука. И действительно, нетрудно убедиться, что при закрывании одной ножки картонной трубочкой (рис. 111) звук усиливается.

Рис. 111. Камертон звучит сильнее, когда одна ножка закрыта

Как влияют на излучение данного колеблющегося тела свойства окружающей среды?

При заданной частоте и амплитуде колебаний кинетическая энергия частиц среды будет тем больше, чем больше их масса, т.е. чем больше плотность среды. При тех же условиях потенциальная (упругая) энергия будет тем больше, чем среда «жестче», т.е. чем меньше ее сжимаемость. Следовательно, при заданной частоте и амплитуде колебаний источника он создает тем более интенсивную волну, чем больше плотность и упругость среды. Например, в воде колеблющаяся пластинка пошлет волну, в несколько тысяч раз более интенсивную, чем при таких же колебаниях в воздухе.