93. Резонанс і резонатори.

Натягнемо на мандоліні дві струни на один тон. Можна побачити, що при збудженні однієї струни починає коливатись і друга. Амплітуда першої струни швидко зменшується, а амплітуда другої так само швидко збільшується. Потім, навпаки, амплітуда другої струни затухає і передає свою енергію першій струні і т.д. Тут ми маємо явище резонансу. Настановимо, як показано на рис. 114, над пальником примуса самоварну трубу. Така труба почне дуже звучати, даючи тон, що відповідатиме або її основному тонові, або одному з обертонів. На стовп повітря в трубі із неправильних коливань коло полум'я (шуму) впливають тільки ті, які відповідають його власним коливанням. Наслідком резонансу повітряний стовп у трубі починає коливатись і труба звучить. Така труба називається газовою гармонікою.

Рис.114.

Камертони для демонстрації явищ акустики мають "резонансні скриньки" (рис. 115). Відгвинтимо камертон від скриньки і збудимо його. Він тихо звучить. Якщо ж піднести його до відкритого краю резонансної скриньки, або ніжкою поставити на покришку скриньки, звук дуже посилиться. Відбудеться це через те, що повітря у скриньці наслідком резонансу починає коливатись, даючи звук однаковий щодо висоти із звуком камертона.

Рис.115.

На звук камертона відгукується повітряний стовп тільки певної довжини, а саме, такий стовп, власний тон якого близький до тону камертона. Через це для кожного камертона добирають відповідну резонансну скриньку.

Резонанс використовують, щоб поширювати звуки музичних інструментів. Так, у роялі струни прикріплюють на резонативній дошці, що називаються декою.

Гельмгольц, один із великих дослідників звукових явищ, винайшов особливі резонатори, що відгукуються тільки на єдиний тон (рис. 116). Ці резонатори мають кулясту форму і не дають обертонів. Вузьким отвором резонатор прикладається до вуха. Широким отвором до нього надходять звукові хвилі. Всередині резонатор порожній. Власний тон резонатора легко почути, пропускаючи струмину повітря біля широкого його отвору.

Рис.116.

З-поміж складних звуків такий резонатор відгукується тільки на звук, що зливається з його власним тоном. Маючи комплект таких резонаторів, можна проаналізувати різні складні звуки різних інструментів — струнних, духових, ударних, звуки голосу тощо. Таким способом можна вилучати окремі тони з різних шумів. Є резонатори і в нашому голосовому апараті. Джерелом звука в голосовому апараті є голосові пластинки. Вони починають коливатись, коли повітря проходить повз них з легенів, дають звук, основний тон якого залежить від натягу їх. Цей звук має багато обертонів. Горлянка посилює деякі з цих обертонів, близьких до її резонансу. Далі звукові хвилі йдуть у порожнину рота. Для кожної голосної є відповідне положення рота, а через це відповідна резонаторна порожнина в ньому. Найближчі до її тону обертони звука співця і посилюватимуться. Надаючи ротові форми для виголошення певного звука і вдаряючи пальцем по щоці, ми почуємо власний тон ротової порожнини. Найнижчий тон буде для У, вищий для О, ще вищий для А.

Особливо посилені ротовою порожниною і характерні для тієї чи іншої голосної обертони називаються формантами.

Дослідження показали, що для кожної голосної є по дві ділянки формант — нижня ділянка коливань менших від 800 герців і верхня — близько 3 200 герців. Для голосних Є та І особливо сильно виражені верхні форманти, і слабше — нижні; для голосних У та О, навпаки, нижні сильніші.

Обертони, що потрапляють у ділянки формант, посилюються в звуках голосних.

Досі ми розглядали тільки корисні якості резонансу. Однак, часто резонанс може, навпаки, дуже шкодити. Розглянемо це на прикладі телефонної або мікрофонної мембрани. Призначення цих мембран, або пружних пластинок, — відгукуватись на кожний звук, що доходить до них. Мембрани — це пружні пластинки або перетинки, що можуть коливатись. Кожна мембрана має власний тон, частота якого залежить від матеріалу, розміру, ваги та натягу мембрани. Наслідком резонансу мембрана дуже відгукуватиметься на ті з коливань, частота яких віднові дає її частоті. Наслідком цього звуки, що потрапляють у резонанс власним коливанням мембрани, дуже посилюватимуться, отже й неправильно звучатимуть.

Боротися з цим можна, добираючи мембрану так, щоб частоти її власних коливань лежали далеко за межами частот, що їх вона передає. Такі ж вимоги треба ставити і до мембран та рупорів гучномовців та грамофонів. Ідеальною мембраною буде барабанна перетинка нашого вуха, що цілком вірно передає звукові коливання на великому діапазоні в середнє вухо і далі у внутрішнє.