что такое интерференция звука
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:
Редактировать этот урок и/или добавить задание Добавить свой урок и/или задание
Добавить интересную новость
Добавить анкету репетитора и получать бесплатно заявки на обучение от учеников
При правильном ответе Вы получите 2 балла
Источники звука расположены в точках (0, 0) и (0, 10).
Какие из микрофонов находятся в максимумах, если длина волны равна 2.07 м?
Выберите те ответы, которые считаете верными.
Добавление комментариев доступно только зарегистрированным пользователям
Lorem iorLorem ipsum dolor sit amet, sed do eiusmod tempbore et dolore maLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempborgna aliquoLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempbore et dLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempborlore m mollit anim id est laborum.
28.01.17 / 22:14, Иван Иванович Ответить +5
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetu sed do eiusmod qui officia deserunt mollit anim id est laborum.
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing sed do eiusmod tempboLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod temLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempborpborrum.
28.01.17 / 22:14, Иван Иванович Ответить +5
Интерференция волн.
Интерференция волн (от лат. inter — взаимно, между собой и ferio — ударяю, поражаю) — взаимное усиление или ослабление двух (или большего числа) волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве.
Обычно под интерференционным эффектом понимают тот факт, что результирующая интенсивность в одних точках пространства получается больше, в других — меньше суммарной интенсивности волн.
Интерференция волн — одно из основных свойств волн любой природы: упругих, электромагнитных, в том числе и световых, и др.
Интерференция механических волн.
Сложение механических волн — их взаимное наложение — проще всего наблюдать на поверхности воды. Если возбудить две волны, бросив в воду два камня, то каждая из этих волн ведет себя так, как будто другой волны не существует. Аналогично ведут себя звуковые волны от разных независимых источников. В каждой точке среды колебания, вызванные волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.
Если одновременно в двух точках О1 и О2 возбудить в воде две когерентные гармонические волны, то будут наблюдаться гребни и впадины на поверхности воды, не меняющиеся со временем, т. е. возникнет интерференция.
Условием возникновения максимума интенсивности в некоторой точке М, находящейся на расстояниях d1 и d2 от источников волн О1 и О2, расстояние между которыми l ≪ d1 и l ≪ d2 (рис. ниже), будет:
где k = 0, 1, 2, а λ — длина волны.
Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн и при условии, что фазы колебаний двух источников совпадают.
Под разностью хода Δd здесь понимают геометрическую разность путей, которые проходят волны от двух источников до рассматриваемой точки: Δd = d2 – d1. При разности хода Δd = kλ разность фаз двух волн равна четному числу π, и амплитуды колебаний будут складываться.
Условием минимума является:
Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн и при условии, что фазы колебаний двух источников совпадают.
Разность фаз волн в этом случае равна нечетному числу π, т. е. колебания происходят в противофазе, следовательно, гасятся; амплитуда результирующего колебания равна нулю.
Распределение энергии при интерференции.
Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.
Что такое интерференция звука
Необходимы более веские доказательства того, что свет при распространении ведет себя как волна. Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции. Для того чтобы быть уверенным в том, что свет имеет волновую природу, необходимо найти экспериментальные доказательства интерференции и дифракции света.
Сложение волн. Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то звуковые волны накладываются друг на друга. Что при этом происходит?
Проще всего проследить за наложением механических волн, наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, создав этим две кольцевые волны, то нетрудно заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя в дальнейшем так, как будто бы другой волны совсем не существовало. Точно так же любое число звуковых волн может одновременно распространяться в воздухе, ничуть не мешая друг другу. Множество музыкальных инструментов в оркестре или голосов в хоре создают звуковые волны, одновременно улавливаемые нашим ухом. Причем ухо в состоянии отличить один звук от другого.
Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются друг на друга. Наблюдая волны на поверхности воды от двух брошенных в воду камней, можно заметить, что некоторые участки поверхности не возмущены, в других же местах возмущение усилилось. Если две волны встречаются в одном месте гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается.
Если же, напротив, гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность воды не будет возмущена.
Вообще же в каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую (т. е. с учетом их знаков) сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.
Интерференция. Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.
Выясним, при каких условиях имеет место интерференция волн. Для этого рассмотрим более подробно сложение волн, образуемых на поверхности воды.
Результат сложения волн, приходящих в точку M, зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния d1 и d2, волны имеют разность хода Δd = d2—d1. Если разность хода равна длине волны λ, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой ровно на один период (как раз за период волна проходит путь, равный длине волны). Следовательно, в этом случае гребни (как и впадины) обеих волн совпадают.
Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:
Условие минимумов. Пусть теперь на отрезке Δd укладывается половина длины волны. Очевидно, что при этом вторая волна отстает от первой на половину периода. Разность фаз оказывается равной п, т. е. колебания будут происходить в противофазе. В результате сложения этих колебаний амплитуда результирующего колебания равна нулю, т. е. в рассматриваемой точке колебаний нет (рис. 121). То же самое произойдет, если на отрезке укладывается любое нечетное число полуволн.
Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:
Когерентные волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной.
Источники, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.
Если же разность фаз колебаний источников не остается постоянной, то в любой точке среды разность фаз колебаний, возбуждаемых двумя волнами, будет меняться. Поэтому амплитуда результирующих колебаний с течением времени изменяется. В результате максимумы и минимумы перемещаются в пространстве и интерференционная картина размывается.
Распределение энергии при интерференции. Волны несут энергию. Что же с этой энергией происходит при гашении волн друг другом? Может быть, она превращается в другие формы и в минимумах интерференционной картины выделяется тепло? Ничего подобного. Наличие минимума в данной точке интерференционной картины означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН
Если свет представляет собой поток волн, то должно наблюдаться явление интерференции света. Однако получить интерференционную картину (чередование максимумов и минимумов освещенности) с помощью двух независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.
Выясним, в чем причина этого и при каких условиях можно наблюдать интерференцию света.
Условие когерентности световых волн. Причина состоит в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Напомним, что такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз называются когерентными.
Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить Постоянство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имеющими длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной. Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.
Интерференция в тонких пленках. Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Курьез состоит в том, что ее наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчета.
Вы тоже много раз видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды. «Мыльный пузырь, витая в воздухе. зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы» (Марк Твен). Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.
Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 (рис. 123), одна из которых (1) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (2) —от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн — сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстанет от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.
Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два, а затем эти части сводятся вместе и интерферируют.
Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.
Кольца Ньютона. Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона.
Удовлетворительно объяснить, почему возникают кольца, Ньютон не смог. Удалось это Юнгу. Проследим за ходом его рассуждений. В их основе лежит предположение о том, что свет — это волны. Рассмотрим случай, когда волна определенной длины падает почти перпендикулярно на плоско-выпуклую линзу (рис. 124). Волна 1 появляется в результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе стекло — воздух, а волна 2 — в результате отражения от пластины на границе воздух — стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга. Вызываемые ими колебания происходят в одной фазе.
Напротив, если вторая волна отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах и волны гасят друг друга.
Если известен радиус кривизны R поверхности линзы, то можно вычислить, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волны определенной длины λ гасят друг друга. Эти расстояния и являются радиусами темных колец Ньютона. Ведь линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности. Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.
Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны. Подобно тому как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или длиной волны.
При переходе света из одной среды в другую длина волны изменяется. Это можно обнаружить так. Заполним водой или другой прозрачной жидкостью с показателем преломления п воздушную прослойку между линзой и пластиной. Радиусы интерференционных колец уменьшатся.
Почему это происходит? Мы знаем, что при переходе света из вакуума в какую-нибудь среду скорость света уменьшается в n раз. Так как v = λv, то при этом должна уменьшиться в n раз либо частота, либо длина волны. Но радиусы колец зависят от длины волны. Следовательно, когда свет входит в среду, изменяется в n раз именно длина волны, а не частота.
Интерференция электромагнитных волн. На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать интерференцию электромагнитных (радио) волн.
Генератор и приемник располагают друг против друга (рис. 125). Затем подводят снизу металлическую пластину в горизонтальном положении. Постепенно поднимая пластину, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.
Явление объясняется следующим образом. Часть волны из рупора генератора непосредственно попадает в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлической пластины. Меняя расположение пластины, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу длин волн или нечетному числу полуволн.
Интерференция, принцип суперпозиции, стоячие волны, биения, эффект Доплера.
В прошлой статье мы рассмотрели такие понятия, как рефракция, дифракция, рассеяние и узнали как изменяются звуковые волны при взаимодействии с отражающей поверхностью.
Сегодня мы поговорим об интерференции звуковых волн, принципе суперпозиции, про стоячие волны, биения, а также про эффект Доплера.
Интерференция и принцип суперпозиции
В окружающей среде распространяются зачастую несколько различных звуковых волн (например, гитара и вокал, речь и шум и т. д.). Но каждый звук слуховая система отчётливо различает.
Этот принцип сложения волн действует только при малых амплитудах (в линейной среде), и приводит к тому, что звуковые волны распространяются через среду независимо, как бы проходя друг через друга.
Сложение волн от двух и более когеретных (согласованных по времени колебательных процессов, приводящих к созданию одинаковых по направлению, частоте и имеющее сдвиг фаз во времени) источников, при котором образуется устойчивое пространственное распределение амплитуды и фазы результирующей волны, называется интерференцией.
При интерференции, как мы уже поняли, происходит сложение волн. При интерференции двух когеретных гармонических волн образуется устойчивая интерференционная картина. В тех точках, где две пришедшие волны имеют одинаковые амплитуды в одинаковой фазе будет сложение колебаний (образуется максимальная суммарная амплитуда). И наоборот, где встречаются две противоположно направленные образуется ноль суммарной амплитуды.
Можете проделать простой эксперимент. Взять любой звук и поменять в нём фазу. А затем создать в проекте две дорожки. На одной из них будет первый вариант, а на второй с изменённой фазой. При этом оба аудиофайла должны начинаться точно в одно и то же время. Когда вы воспроизведёте этот проект вы ничего не услышите, так как они находятся полностью в противофазе, что и соответствует нулю (отсутствию звука).
Если волны некогерентны и разность фаз между ними быстро и беспорядочно меняется, то интерференционная картина будет размазываться.
Стоячие волны
С интерференцией, т. е. со сложением волн одинаковой частоты и амплитуды, тесно связаны «стоячие волны».
Звуковая волна, когда встречает на своём пути перпендикулярную твердую поверхность (например, стену), отражается от неё и возвращается по тому же самому пути. Две волны, которые отразились от стены и движутся в противоположные стороны при сложении способны производить так называемые стоячие волны. Они окрашивают звук новыми гармониками (тем самым изменяя тембр звука).
Красным цветом (ноль суммарной амплитуды — противофаза), желтым — сложение волн (усиление звука).
Стоячие волны очень важны в практике работы со звуком. Так как они окрашивают звук и не позволяют делать сведение проектов качественным. Вы не слышите «чистый» звук. Вот почему акустическое оформление помещения является очень важным этапом в проектирование студии звукозаписи.
Биения
Это периодические изменения амплитуды колебания, которые происходят при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами.
Например, 400 и 402 Гц. Эти два сигнала будут восприниматься нашей слуховой системой как единый сигнал с частотой равной среднему значению этих двух частот и изменением амплитуды равной разности частот. Кстати, предел в котором мы воспринимаем два сигнала как один равен 15 Гц и меньше.
Биения очень важны при записи свободно интонирующих инструментов (скрипка, вокал, тромбон и т.п.). Если в сумме много нечистых тонов, то эта грязь уёдет вверх ( инфразвук ) — может колебаться уровень громкости, который будет периодически уходить в «пик» (красную зону), хотя громкость не будет очень высокой. А также часть уйдет вниз, что дополнительно будет перегружать низ (например, может звучать полная каша, если бочка и бас не строят между собой).
Биения при прослушивании в концертном зале не так сильно заметны, как при записи в студии. Поэтому проверяйте строй музыкальных инструментов при их записи.
Эффект Доплера
Когда мы слушаем музыку, мы отчётливо слышим высоту (частоту), которую излучает источник. Без этого мы бы не смогли её слушать.
Однако, когда источник или тот кто слушает движутся относительно друг друга всё меняется. В 1845 году этот эффект был открыт австрийским учёным Доплером.
Суть его в следующем. Источник звука создаёт определённое количество колебаний (частота). Мимо слушателя проходит такое же количество волн ( сжатий и разряжений ). Но если слушатель движется навстречу источнику, то в секунду он встречает больше зон сжатия и разряжения. Тем самым он воспринимает более высокую частоту и слышит более высокий тон. Такая же картина, когда вы, например, стоите на пироне и приближается поезд. Его гудок при приближении воспринимается выше, чем он есть на самом деле.
Когда же источник (или слушатель) удаляются, число звуковых волн в секунду уменьшается. Следовательно, высота тона падает.
Сегодня существует много плагинов, которые позволяет создавать различные эффекты приближения и удаления звука. Например, пакет Waves — Doppler:
Эффект Доплера важен при проектировании акустических систем. Низкочастотный громкоговоритель может создавать смещения высокочастотного, меняя высоту тона для слушателя. Это будет создавать «плавание звука», с которым борются различными конструктивными методами.
Данный эффект применяется не только в акустике, но и в оптике, радиолокации, астрономии, радиоэлектронике.
Спасибо, что читаете New Style Sound. ( RSS-лента ). Подписывайтесь и делитесь статьями с друзьями.