Описание установки

Установка для экспериментального определения скорости звука в воздухе с помощью стоячих волн состоит из звукового генератора, к выходу которого подключен громкоговоритель, находящийся вблизи открытого конца стеклянной цилиндрической трубы с водой, уровень которого можно менять с помощью резервуара с водой, соединенного с трубой гибким шлангом. На трубе закреплена шкала, с помощью которой можно измерять положение уровня воды.

Если высота столба воздуха в трубе такова, что на выходе трубы образуется пучность стоячей волны (рис. 2а), то громкость звука будет максимальной, если же на выходе образуется узел (рис. 2г), то громкость звука будет минимальной. Масса воздуха у отверстия трубы является для слушателя источником звука с переменной интенсивностью. Если частицы воздуха имеют вблизи отверстия максимальную амплитуду колебаний, т. е. там находится пучность, то отверстие излучает в окружающее пространство волны с наибольшей интенсивностью. И наоборот, если частицы воздуха вблизи отверстия колеблются с минимальной амплитудой (узлы), то отверстие излучает звук с наименьшей интенсивностью.

На рис. 2 показано, как меняется плотность воздуха в стоячей волне. Если для волны, отмеченной на рис. 2а, г сплошной линией, в узле стоячей волны на границе раздела двух сред находится область с максимальной плотностью воздуха (рис. 2б, д), то для волны, отмеченной на рис. 2а, г штриховой линией, в узле стоячей волы на границе раздела двух сред – область с минимальной плотностью (рис. 2в, е). Таким образом, в узлах происходит периодическое изменение давления от минимального до максимального значения.

Максимум или минимум громкости звука наблюдателем оценивается на слух. Для повышения точности измерений около открытого конца трубы находится микрофон, соединенный с индикатором уровня звукового сигнала, который представляет собой милливольтметр переменного тока. Это позволяет визуально по положению стрелки индикатора обнаруживать пучности или узлы стоячей волны смещения на выходе воздушного столба. При минимальной громкости звука индикатор показывает практически ноль.

Известно, что скорость распространения волны  связана с длиной волны  простым соотношением:

  , (5)

где  – частота. Длина волны равна удвоенному расстоянию между соседними пучностями или соседними узлами. Это расстояние можно определить, изменяя высоту уровня воды в трубе, т. е. изменяя длину воздушного столба, и добиваясь несколько раз последовательного образования пучности (или узла) на выходе трубы. Если регистрировать последовательные положения уровня воды в трубе, то по разнице соседних положений можно рассчитать расстояние, равное расстоянию между соседними пучностями (или соседними узлами).

Порядок выполнения работы

1. Включите звуковой генератор тумблером «Сеть», ручку «Выход» поставьте в среднее положение. Дайте генератору прогреться в течении 1-2 минут, после чего установите необходимую частоту сигнала (значение частоты  задается преподавателем).

Рис. 2

2. Включите индикатор уровня выходного сигнала в сеть, переключатель чувствительности на передней панели установите в положение «2».

3. Плавно поднимая (или опуская) резервуар с водой, изменяйте уровень воды в цилиндре со скоростью около 0,5 см/с, записывая при этом положения L уровня воды на шкале, соответствующие максимальной громкости (максимальному сигналу на индикаторе). Результаты измерений занесите в табл. 1.

Измерения можно производить не только по максимуму, но и по минимуму громкости (сигнала). Результат при этом не изменится, т. к. расстояние между соседними пучностями и соседними узлами одинаковое.

Таблица 1.

, Гц	L, см	L, см	, м	, м/с	, м/с	, %

4. Рассчитайте и занесите в табл. 1 разности L между соседними уровнями воды, соответствующими максимальной (минимальной) громкости. Они равны расстоянию между соседними пучностями (узлами) стоячей волны.

5. Вычислите длину волны  в воздухе, учитывая, что она равна удвоенному расстоянию L между соседними пучностями или узлами.

6. Рассчитайте по формуле (5) скорость звука  в воздухе.

7. Выполните указанные в п.п. 3-6 операции для всех заданных частот и рассчитайте среднюю скорость звука  в воздухе. Сравните полученное значение с табличным при комнатной температуре и оцените относительную ошибку Ваших измерений. . В таблицу занесите ее среднее значение – , %.