Почему же резонатор увеличивает интенсивность доходящих до него колебаний? Ответов может быть два:

· или резонатор собирает рассеянную в пространстве энергию,

· или усиление происходит за счет уменьшения продолжительности

колебаний.

Оба ответа справедливы.

В театрах Древней Греции и Древнего Рима устанавливали так называемые "гармоники" - открытые объемы, горловина которых соединялась с окружающим пространством (рис. 1, а). Масса воздуха m в горловине приводилась в колебательное движение внешним звуковым давлением. Резонансная частота f0 определялась этой массой и гибкостью (сжимаемостью) c воздушного объема V резонатора. При резонансе скорость колебаний v в горле резонатора увеличивается, увеличивается и объемный поток vS ( S - площадь поперечного сечения горла). Ввиду того, что колебательная скорость падающей волны остается постоянной, для поддержания возрастающего объемного потока фронт падающей волны деформируется (рис.1, б). Деформация охватывает тем большую зону, чем больше скорость колебаний в горле. Поэтому резонатор концентрирует значительно большую энергию, чем та, которая содержится в части падающей волны, приходящейся на площадь входного отверстия. После прекращения внешнего воздействия резонатор отдает накопленную энергию в окружающее пространство (рис. 1, в).

Рис.1

Принцип действия акустического резонатора.

· а) конструкция;

· б) деформация фронта падающей волны;

· в) отдача накопленной энергии в окружающее

пространство

Дается экспериментальное подтверждение второму предположению - увеличению интенсивности колебаний за счет уменьшения их продолжительности. Свободно подвешенный и возбужденный ударом камертон звучит 252 с, приложенный к мраморной доске - 115 с, приложенный к деревянной доске - 10 с. Особенно усиливаются колебания, если приложить камертон к ящику-резонатору с той же собственной частотой, что и у камертона. Однако продолжительность колебаний в этом случае еще более сокращается.

Итак, звук усиливается, но запасенная энергия исчерпывается быстрее. Степень усиления колебаний определяется добротностью резонатора, а ощущение громкости - интенсивностью колебаний и их продолжительностью. Поэтому не следует преувеличивать эффективность действия "гармоник" древних театров на открытом воздухе или кувшинов-«голосников» древних православных храмов. Эти устройства создавали сравнительно небольшое усиление колебаний. Такие резонаторы иногда используют в современных акустических лабораториях.

Можно предположить, что замкнутые пространства под эстрадой концертных залов и под оркестровой ямой оперных театров также являются своеобразными резонаторами, усиливающими звучность. Аналогичную роль играют подвесные «мембранные потолки» концертных и театральных залов, разумеется, если они не отягощены помещенным на них грузом-засыпкой из камней и шлака. В отличие от резонаторов-сосудов, представляющих собой системы с сосредоточенными параметрами, пространства под эстрадой или подвесные потолки являются системами с распределенными параметрами, "многочастотными системами".

Связь собственной резонансной частоты объемных акустических резонаторов с их геометрическими размерами устанавливалась различными авторами, начиная с Гельмгольца. Внешнее несходство полученных выражений определяется различием некоторых исходных предпосылок, но рассчитанные значения f0 получаются примерно одинаковыми. Для резонаторов без горла (b=0) И.Г. Дрейзен приводит выражение