Акустический резонанс

Михаил Старшов
«Квант» №11, 2018

Одно из важнейших достижений ХХ века — это понимание роли обратных связей в сложных системах. Конечно, неосознанно ими пользуется любой живой организм, да и в своей практике технической деятельности человек использовал их в разное время и в разных конструкциях; классический пример — регулятор в паровой машине Джеймса Уатта. И наоборот, незнание или пренебрежение положительными и отрицательными обратными связями неизбежно приводит к серьезным авариям.

Самые близкие примеры обратных связей мы можем увидеть в часах, маятнике или качелях, но особенно наглядно — в музыке. Именно в наблюдениях за звуком родилось понятие резонанса, а у древних римлян это слово означало просто отзвук. Издавать звук способна и щепка, и натянутая нить, и даже травинка, но гораздо громче и богаче они звучат при добавлении к ним некоторого объема воздуха — резонатора. Например, многие дети «раньшего времени» делали телефон из нитки с какими-нибудь коробочками, а люди моего поколения помнят рупоры на волжских пароходах. Не могу удержаться от упоминания забавного эпизода с огромным самодельным рупором американского мальчика Роберта Вуда, ставшего впоследствии выдающимся физиком и которому посвящена великолепная книга В. Сибрука «Роберт Вуд. Современный чародей физической лаборатории»:

«...Другим образцом шалостей, особенно подходившим к характеру Вуда, была шутка с дверными звонками нового дома, который был выстроен недалеко от Латинской школы, где Роб умирал от скуки. Было что-то привлекательное в длинном ряде переговорных трубок с кнопками внизу в вестибюле. Однажды Робу пришла в голову идея, что очень просто „замкнуть накоротко“ эти трубки. То, чего ему не хватало для этого, он нашел дома в чулане, где хранились бумага, веревки и всякий хлам. Это была длинная картонная трубка около трех дюймов диаметром. Он приставил ее к ряду переговорных трубок в вестибюле, наметив кружки, соответствующие их отверстиям. Потом он вырезал дыры в отмеченных местах перочинным ножом, а концы трубки заткнул. Далее с помощью своего друга и соседа по дому он прикрепил это приспособление к переговорным трубкам, в результате чего получилась „перемычка“, дававшая возможность жильцам дома говорить друг с другом. Затем маленькие чертенята нажали кнопки вызова, начав с верхнего этажа, чтобы обеспечить себе безопасное отступление. Надо вообразить, какое вавилонское столпотворение произошло в доме».

Приглядитесь к музыкальным инструментам, взгляните на какой-нибудь саксофон. Какая красота, как сложно было придумать такую форму и сделать ее руками, но зато и звучит прекрасно! Ничего не понимая в науке о звуке, акустике, легко ощущаю отличие звуков речи лектора в двух аудиториях саратовского университета. Одна создана в 1913 году архитектором-художником К. Мюфке, а другую безымянный ремесленник через каких-то сорок лет попытался с нее скопировать. Мне приводилось читать лекции и в одной, и в другой аудитории, и быстро начинаешь понимать, что акустика не наука, но высокое искусство.

А теперь поговорим о простейшем и очень доступном любому школьнику опыту по резонансу в акустике. Все, что нужно для такого опыта, находится у каждого школьника буквально перед глазами.

Рис. 1

Вот на фотографии (рис. 1) видно клавиатуру ноутбука и крышку от бутылки. Верхнее отверстие крышки прикрыто монетой, другая монета приподнимает с одной стороны крышку для доступа в нее звука. Примерно в метре от компьютера закреплены звуковые колонки, с регулятором громкости естественно. Так вот, если крышку донышком вверх подносить к маленькому отверстию для микрофона рядом с клавиатурой на передней панели ноутбука, а регулятор громкости поставить почти на максимум, то, когда останется зазор в пару миллиметров, из колонок начинает литься пронзительный звук одной частоты. Высоту этого тона можно изменять разными способами — выбором расстояния крышки до микрофона, уровнем громкости на колонке, величиной и формой сосуда, заменяющего крышку.

Рис. 2

На другом снимке (рис. 2) резонатором служит пустой стакан. Возможны и другие, самые разнообразные варианты.

Почему-то большое впечатление производит такой своеобразный резонатор из железной трубки, к которой удачно подходит изящный пластиковый элемент пробки современных бутылок — с тремя небольшими отверстиям (рис. 3). Плотно вставив пластиковую деталь в трубку, очень близко подносим трубку вертикально или почти вертикально к микрофонному отверстию на передней панели ноутбука и получаем пронзительный звук. А его высоту можно изменять, прикрывая в разной степени отверстия в пластиковой вставке.

Рис. 3

Можно сказать, что случайный слабый звук, попавший в микрофон, усиливается электрической системой компьютера и колонок, снова приходит в микрофон, еще проходит по тракту усиления, а одна из частот в этом звуке усиливается особенно существенно, совпадая с некоторой собственной частотой системы. При резонансе сигнал становится очень громким. Это — положительная обратная связь. Но для качественного звучания любого инструмента конструкция должна иметь и отрицательную обратную связь — для предотвращения лишних резонансов, иначе звук будет только раздражать ухо.

В сущности, это предельно упрощенная модель чудесного изобретения Льва Сергеевича Термена (1896–1993), которое так и называлось «терменвокс», только в этом приборе обратная связь осуществлялась электрическим путем. Приближение руки исполнителя изменяло емкость колебательного контура в генераторе, и его частота повышалась или понижалась. Затем это переводилось в звук, и на инструменте (не прикасаясь к нему!) удавалось воспроизводить мелодии с уникальным звучанием.

Короче говоря, предлагаемый опыт представляет широкое поле возможностей для школьника — например, выбирающего тему для проекта и доклада на ученической конференции.