Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Интерференция звука
Интерференция звука

Описание

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства.
Звуковым волнам присуще явление интерференции, т.е. усиление колебаний в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн, приходящих в эти точки пространства. Явление интерференции во времени базируется на известном принципе суперпозиции волн, смысл которого сводится к следующему: если в среде одновременно распространяется система n различных волн, то каждая из волн распространяется независимо от других. При этом результирующие скорость, смещение, ускорение каждой частицы среды равны векторным суммам соответствующих величин, обусловленных каждой из волн порознь.
Если, например, наложить две синусоидальные волны 1 и 2 с различными амплитудами и длинами волн λ1 и λ2, то результирующая волна 3 получается в результате векторного суммирования амплитуд y1 и y2 обоих волн в каждой точке среды для данного момента времени t (рисунок1). В этом случае результирующая волна 3 уже не является синусоидальной.
 
Наложение двух волн с различными амплитудами и длинами волн
Наложение двух волн с различными амплитудами и  длинами  волн
Рис. 1
 
Две волны 1 и 2 одинаковой частоты, амплитуды и фазы (т.е. одинакового начального смещения от начала координат в момент времени t=0) дают при наложении результирующую волну 3 той же частоты, но удвоенной амплитуды (рисунок 2).
 
Сумма двух колебаний одинаковой частоты, амплитуды и фазы
Сумма двух колебаний одинаковой частоты, амплитуды и фазы
Рис. 2
 
Две волны 1 и 2 равной частоты, имеющие разность фаз Δφ=π, нейтрализуют (гасят) друг друга при одинаковых амплитудах (т.е. результирующей волны не будет) (рисунок 3).
 
Сумма двух колебаний одинаковой частоты и амплитуды и разностью фаз π
 Сумма двух колебаний одинаковой частоты и амплитуды и разностью фаз ?
Рис. 3
 
Когда мы слышим звуки разных, но близких по величине частот (мало отличающихся частот) сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн звук то усиливается, то ослабевает, пока разность фаз невелика.Этот колебательный процесс с чередующимся нарастанием и убыванием амплитуды результирующей волны называют биением. На рисунке 4 представлены два периодических гармонических колебания 1 и 2 с разными, но близкими частотами f1 и f2 (f1<f2) и одинаковыми амплитудами y1max=y2max.
 
Биение. Результирующее негармоническое колебание yp(t),являющееся суммой двух гармонических колебаний y1(t) =y2(t)
Биение. Результирующее негармоническое колебание yp(t),являющееся суммой двух гармонических колебаний y1(t) =y2(t)
Рис. 4
 Как видно из рисунке 4, результирующее колебание yp(t) уже не имеет постоянной амплитуды: колебания то усиливаются, то ослабевают. При этом результирующая амплитуда ypmax периодически изменяется в пределах от |y1(t) - y2(t)| до |y1(t) + y2(t)| с частотой биения fб=|f2-f1|.
Пусть два монохроматических точечных источника звуковых волн S1 и S2  находятся на расстояниях r1 и r2 от точки наблюдения. Величина Δr=r2-r1 называется геометрическая разностью хода интерферирующих волн. Для двух когерентных волн справедливо отношение: Δr/Δφ=λ/2π. Если колебания источников совпадают по фазе и имеют равные амплитуды, то  Δr/2πk=λ/2π, где k=0,1,2,...Тогда Δr=kλ, y=2y1=2y2. Если разность хода волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн), то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум. Если волны от источников придут в точку наблюдения в противофазе, то они погасят друг друга: y=0. Тогда Δr/π(2k+1)=λ/2π. Следовательно Δr=(2k+1)λ/2 Если разность хода волн равна нечетному числу полуволн, то в точке наложения этих волн образуется интерференционный минимум.

 

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Используется в научно-технических эффектах

Оптико-акустический газовый анализ (Оптико-акустический газовый анализ)
Фокусировка звука (Фокусировка звука)
Акустическая линза (Акустическая линза)
Преграда из звукопоглощающего материала на пути звуковых волн, уменьшающая их интенсивность (Звукоизоляция)

 

Используется в областях техники и экономики

1Оптическая техника
2Приборы для измерения акустических величин и характеристик
3Электроакустическая, ультразвуковая и инфразвуковая техника
1Полупроводниковые приборы и микроэлектроника
1Производство материалов для электроники и радиотехники
1Медицинская техника
1Телевизионная техника
1Технологии, использующие голографию
1Бронетанковая техника
1Воздушный транспорт
1Водный транспорт
1Автомобильный транспорт
1Железнодорожный транспорт
1Объекты строительства
1Космическая техника и ракетостроение
1Авиастроение
1Судостроение
1Автомобилестроение
1Горное машиностроение
1Трансформаторы и электрические реакторы
1Электрические машины
1Гидроэнергетика

 

Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты

1Эфект уменьшения плотности энергии оптического излучения в среде, показательпреломления которой уменьшается с ростом интенсивности света (Самодефокусировка света)
1Ферма принцип (Ферма принцип )
1Рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны (Рэлеевское рассеяние)
1Поляризация электромагнитных волн (Поляризация электромагнитных волн )
4Интерференция звука (Интерференция звука)
4Акустическая жесткость (Акустическая жесткость)
4Дисперсия скорости звука (Дисперсия скорости звука)
3Импульс звуковой волны (Звуковой импульс)
1Распространение ударных волн (Распространение возмущений, содержащих разрывы плотности, давления и скорости распространения, в нелинейных средах)
1Нормальные колебания молекул (Собственные (свободные) гармонические колебания молекул)
2Звуковая спектроскопия (Звуковая спектроскопия)
4Дифракция звука (Отклонение распространения звука от законов геометрической акустики вследствие волновой природы звука) (Дифракция звука)
2Релаксация акустическая (Релаксация акустическая)
1Возникновение модулированного колебания при сложении двух гармонических колебаний близких частот (Биения)
3Отражение звука (Отражение звука)
3Преломление звука (Преломление звука)
1Упругая волна, распространяющаяся в среде (Звук)
1Волны. Уравнения волновых процессов (Волны. Волновое уравнение)
1Ослабление интенсивности звука при прохождении его через какую-либо среду (Поглощение звука)

 

Применение эффекта

Примером интерференции являются стоячие волны – частный случай интерференции. Стоячие волны образуются в результате наложения двух волн одинаковой амплитуды, фазы и частоты, распространяющихся в противоположных направлениях.
Амплитуда в пучностях стоячей волны равна удвоенной амплитуде каждой из волн. Поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, это означает, что интенсивность в пучностях в 4 раза больше интенсивности каждой из волн или же в 2 раза больше суммарной интенсивности двух волн. Здесь нет нарушения закона сохранения энергии, поскольку в узлах интенсивность равна нулю.
Возможна также интерференция гармонических волн разных частот. Когда две частоты мало различаются, возникают так называемые биения. Биения – это изменения амплитуды звука, происходящие с частотой, равной разности исходных частот. На рис. 1 представлена осциллограмма биений.
Осциллограмма биений в звуке гонга.
Рис.1
Амплитудные расширения и сужения обусловлены периодическим взаимным усилением и ослаблением двух волн близких частот. Из-за периодического нарастания и спадания громкости звука данное явление называется биениями.
Следует иметь в виду, что частота биений – это частота амплитудной модуляции звука. Не следует также путать биения с разностной частотой, возникающей в результате искажений гармонического сигнала.
Биения часто используют при настройке двух тонов в унисон. Настройка частоты производится до тех пор, пока биения не перестанут прослушиваться. Даже если частота биений очень мала, человеческое ухо способно уловить периодическое нарастание и убывание громкости звука. Поэтому биения являются весьма чувствительным методом настройки в звуковом диапазоне. Если настройка не точна, то разность частот можно определить на слух, подсчитав число биений за одну секунду. В музыке на слух воспринимаются и биения высших гармонических составляющих, что применяется при настройке фортепиано.

 

Реализации эффекта

Прибор для демонстрации интерференции звука представлен на рис. 1. В самом начале прибор имеет два одинаковых – верхний и нижний звукопровода. Затем нижний звукопровод удлиняют. При l = c/4v (c – скорость звука в воздухе (примерно 330 м/с), v – частота звука, поступающего из динамика A) звучание из рупора B максимально ослабится. При v = 100Гц l = 82.5см, так что прибор должен быть достаточно большим.
Прибор для демонстрации интерференции звука
Рис.1

Простерший опыт по интерференции звука осуществляется с помощью трубы, схематически изображенной на рис. 1. Источник звука устанавливается у воронки А, насаженной на трубу. Далее труба разветвляется, образуя два колена ABD и ACD. Колено ACD сделано из труб, вставленных друг в друга; его можно удлинять или укорачивать. Звуковые колебания доходят до конца трубы Е двумя путями: по колену ABD и по колену ACD. При неодинаковой длине колен между волнами, пришедшими в точку Е по различным коленам, будет существовать разность хода .
Труба для наблюдения интерференции звука
Рис.1
Если эта разность хода равна четному числу полуволн, то звук в точке Е усилится по сравнению с тем, как если бы он проходил по одному колену. При разности хода в нечетное число полуволн будет наблюдаться ослабление звука.
Указанной трубой можно воспользоваться для измерения длин волн звука, испускаемого данным источником. Для этого надо измерить то смещение трубки С, которое необходимо произвести, чтобы перейти от одного ослабления звука до другого. Изменение длины колена даст длину волны . Этот метод измерения длин звуковых волн основан на явлении интерференции, поэтому он носит название интерференционного метода. Труба, изображенная на рисунке 1, является простейшим аналогом интерферометров, применяемых в оптике для измерения длин световых волн.
Практически такую трубу можно использовать для измерения длины звуковых волн среднего диапазона, так как крайним звуковым колебаниям соответствуют слишком длинные или слишком короткие волны. Действительно, в воздухе, где скорость звука 330 м/сек, наиболее медленным звуковым колебаниям с частотой 20гц соответствует длина волны 16.5м, наиболее же быстрым колебаниям 104гц соответствует длина волны 1 см. Средней частоте 500гц соответствует 66см. Если в воронку трубы А направить сложный звук, то при заданной разности хода ослабятся те колебания, для которых эта разность равна нечетному числу полуволн. В результате из сложного колебания выпадает ряд его гармонических составляющих, и сложное колебание изменит свой характер. Таким образом, труба играет роль фильтра по отношению к колебаниям определенных частот.

Литература

1. Фриш С.Э. Тиморева А.В., Курс общей физики. Том 1. Физические основы механики. Молекулярная физика. Колебания и волны. – 11 изд. стер. – М.: Физматгиз, 1962.– 466 с., ил. Стр. 445.

2. Красильников В.А., Звуковые и ультразвуковые волны: Учеб. Пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Физматгиз, 1960.– 560 с., ил. Стр. 66.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина