Лабораторна робота №2 Визначення швидкості звуку у повітрі.
Мета: визначити швидкість звуку у повітрі.
Програмне забезпечення та обладнання: програми генератора звукових частот та осцилографа, комп'ютер з мультимедійним обладнанням (акустична система, мікрофон), вимірювальна стрічка.
Короткі теоретичні відомості
Звуковими хвилями називаються механічні хвилі, частота яких лежить в межах від 20 Гц до 20 кГц. Як фізичне явище звук характеризується частотою, швидкістю поширення та інтенсивністю.
Звукові хвилі можуть поширюватися в будь-якому пружному середовищі. У рідинах і газах вони поширюються як поздовжні хвилі, й спричиняють згущення і розрідження середовища. У твердих тілах звук поширюється поздовжніми і поперечними хвилями. Звук передається лише через пружне середовище.
Звукова хвиля, як і будь-яка хвиля, розповсюджується в якому-небудь пружному середовищі і дійшовши до межі розділу з іншим середовищем, частково відбивається в перше середовище (відбита хвиля) і частково переходить в друге середовище.
Якщо друге середовище акустично більш густе (швидкість поширення звуку менша), то при відбиванні фаза хвилі зміщення частинок зміниться на протилежну, якщо ж друге середовище акустично менш густе (швидкість поширення звуку більша), то хвиля зміщення частинок своєї фази не змінить.
Довжина хвилі, тобто віддаль між двома найближчими точками, які коливаються в однаковій фазі, при відбиванні не змінюються. Амплітуда коливань, тобто найбільше зміщення частинок від положення рівноваги, у відбитій хвилі зменшується.
Розглянемо інтерференцію двох зустрічних плоских когерентних хвиль з однаковими амплітудами. Інтерференцією називається явище накладання двох (і більше) хвиль, яке приводить до стаціонарного (не залежить від часу) підсилення коливань частинок середовища в одних місцях і послаблення (або повному погашенню) в інших місцях простору.
Джерела хвиль, які коливаються з однаковою частотою і протягом всього часу коливання зберігають постійну різницю фаз, називають когерентними. Хвилі, які створені такими джерелами в якому-небудь середовищі, називаються когерентними. В кожній точці середовища різниця фаз коливань, викликаних когерентними хвилями, весь час залишається сталою.
Хід роботи
- Розмістити акустичні системи на відстані приблизно один метр одна від одної, спрямувавши їх одна на одну (чим більша відстань між акустичними системами, тим точнішим буде результат).
- Поблизу однієї з акустичних систем максимально близько розмістити мікрофон, попередньо підключивши його до комп’ютера (Мал.3.1).
- Запустити програми генератора звукових частот та осцилографа.
- На генераторі активізувати режим роздільного регулювання гучності та фази.
- Встановити частоту генератора приблизно 200¸300 Гц.
- Ввімкнути генератор і встановити поблизу мікрофона однаковий звуковий тиск лівого та правого каналів, для чого поперемінно вмикати їх, здійснюючи контроль його за осцилограмами. При цьому рівень гучності повинен бути оптимальним для прослуховування.
- Встановити зсув фаз 180° по одному з каналів генератора.
- Перестроюючи генератор в одну та іншу сторону, знайти мінімальні частоту, при якій амплітудне значення звукового тиску буде мінімальне. При цьому відстань між акустичними системами буде дорівнювати довжині звукової хвилі для даної частоти.
- За формулою визначити швидкість звуку у повітрі.
- Визначити похибку вимірювань.
Мал.4.1 Робоче місце для визначення швидкості звуку у повітрі
Застереження: оскільки в любому приміщенні утворюються стоячі хвилі, то акустичні системи та мікрофон необхідно ізолювати звукопоглинаючим матеріалом не порушуючи акустичний зв'язок
n Гц | Dn Гц | l м | Dl м | l м | e | u м/с |
Контрольні запитання
1. Чому для поширення звукових хвиль необхідне пружне середовище?
2. Які хвилі називаються когерентними?
3. Чи впливає температура на швидкість поширення звукових хвиль?
4. Що таке стояча хвиля?
5. Чому довжина стоячої хвилі дорівнює половині біжучої?