3.8.19. Ультразвуковая волна распространяется по воздуху в узком коридоре без заметного ослабления на большое расстояние. Коридор перегородили звукоизолирующим экраном некоторой толщины. При этом мощность проходящей волны уменьшилась во много раз. Затем вместо прежнего установили экран двойной толщины. Обнаружилось, что сквозь этот экран ультразвук проходит почти не ослабляясь. В чем тут дело? Частота волны $1~\text{МГц}$, скорость звука в материале экрана $5~\text{км/с}$. Найдите толщину звукоизолирующих экранов.
Решение
Эта задача есть развитие задач $3.8.17,\ 3.8.18$. Рассуждаем в терминах амплитуды.
Рассмотрим первый случай ослабления.
Сначала рисунок-схема к тексту далее.
Пусть волна только вошла в среду $2$ (экран). Эта пройденная волна дойдет до правой границы экрана (коротко — граница) отразится от нее и пойдет к левой границе (входная граница для основной волны), при этом знак амплитуды не меняется (задача $3.8.6$). Если она в момент касания левой границы в противофазе накладывается на проходящую основную, то мы получаем ослабленную результирующую амплитуду как разность
амплитуды проходящей от основной
и амплитуды отраженной $2$ раза от проходящей от основной.
Это только после первого цикла типа туда-сюда для волны внутри экрана. Остается посмотреть, что будет при каждом следующем цикле.
Циклы
Смотрим циклы. Множители $\rho c$ обозначены $x$.
Цикл $0$. Волна впервые вошла в среду $2$. Начальная амплитуда $A$ в первой среде. Ее амплитуда в среде $2$ стала $$A_2^{(0)} = A\cdot\underset{1\to 2}{k_{A\text{пр}}} = A\frac{2x_1}{x_1 + x_2}.$$ где $\underset{1\to 2}{k_{A\text{пр}}}$ есть коэффициент прохождения по амплитуде (задача $3.8.14$) из среды $1$ в $2$. Далее аналогично.
Цикл $1$. Он заканчивается таким наложением. Пройденная в среду $2$ от основной минус(!) пройденная на предыдущем цикле, $2$ раза отраженная при одинаковых условиях: $$A_2^{(1)}\hphantom{}'^* = A_2^{(0)} - A_2^{(0)}\cdot\left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^2 = A_2^{(0)}\left(1 - \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^2\right).$$
Цикл $2$. Он заканчивается таким наложением. Пройденная в среду $2$ от основной минус(!) волна с $A_2^{(1)}\hphantom{}'^*$,$2$ раза отраженная при одинаковых условиях: $$A_2^{(2)}\hphantom{}'^* = A_2^{(0)} - A_2^{(1)}\hphantom{}'^*\cdot\left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^2 = A_2^{(0)}\left(1 - \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^2 + \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^4\right).$$
Цикл $\infty$. Он заканчивается тем, что у левой границы в экране результирующая имеет амплитуду (и идет к выходной границе): $$\boxed{A_2^{(\infty)}\hphantom{}'^* = A_2^{(0)}\left(1 - \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^2 + \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^4 - \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^6 + \ldots\right).}$$
Находим предыдыущее по формуле бесконечно убывающей геом. прогрессии, считая $x_2 \gg x_1$.
Соответственно, без ослабления прохождение в выход справа при двойной толщине (см. рис.-схему в введении).
Цикл $\infty$. Он заканчивается тем, что у левой границы в экране результирующая имеет амплитуду (и идет к выходной границе): $$\boxed{A_2^{(\infty)}\hphantom{}'^* = A_2^{(0)}\left(1 + \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^2 + \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^4 + \left(\underset{2\to 1}{k_{A\text{от}}}\right)^6 + \ldots\right).}$$
Находим предыдыущее по формуле бесконечно убывающей геом. прогрессии, считая $x_2 \gg x_1$.