Лабораторная работа n 61. Определение скорости звука в воздухе методом интерференции

Обычно термин "звук" применяют к упругим волнам в воздухе, которые воспринимаются человеческими органами слуха. Имеется ввиду диапазон частот от 20 до 20000 Гц. Упругие волны с частотами ниже 20 Гц называются инфразвуком, а выше 20000 Гц  ультразвуком.

Это деление весьма условно: во-первых, инфразвук, звук и ультразвук имеют много общих свойств; во-вторых, диапазон частот, реально воспринимаемых людьми, сильно варьируется от человека к человеку и сужается с возрастом. В последнее время имеется тенденция понятие звук применять к любым упругим волнам. Здесь мы будем следовать классическому толкованию понятий.

Мощность звука в системе СИ обычно выражают в децибелах. Децибел равен десятой доле бела. Бел - единица логарифмического уровня энергии P₂ относительно начального уровня P₁:

.

Согласно международным соглашениям при оценке звуковой мощности P₁=10^12Вт (порог слышимости). Таким образом, 1 дБ (децибел) соответствует мощности звука 10^-11,9Вт.

Для фазовой скорости звуковых волн в атмосферном воздухе может быть получено соотношение

, (20)

где R  универсальная газовая постоянная, T  температура,   молярная масса  - показатель адиабаты воздуха. Это соотношение обычно используется для определения температурной зависимости  В курсе механики интерес представляет само по себе измерение фазовой скорости звука интерференционным методом, как наиболее точным.

Цель работы состоит в измерении фазовой скорости звуковых волн разных частот методом интерференции с помощью трубки Квинке.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Приборы и принадлежности: трубка Квинке, звуковой генератор, динамик, микрофон, усилитель низкой частоты, вольтметр.

Рис. 1.

Схема установки представлена на рисунке 1. В точках A и С помещены динамик 2, подключенный к звуковому генератору 3, и микрофон 4, соответственно. Сигнал с микрофона через усилитель 5 и подается на вольтметр 6. Длина ABC трубки Квинке 1 может изменяться перемещением подвижного колена B.

Звуковые волны от динамика, проходя пути AB’C и ABC интерферируют. Амплитуда суммарного колебания определяется выражениями (14)  (17). С изменением разности длин колен AB’C и ABC, микрофон будет регистрировать то максимумы, то минимумы звука. Пусть при каком-то положении подвижного колена ABC прибор регистрирует минимум звука. Выдвигая это колено на некоторое расстояние, после максимума мы вновь зарегистрируем минимум звука. Пусть это расстояние равно L. При этом путь, пройденный звуковой волной в колене ABC, увеличился на 2L. Условие наблюдения минимума интерференции требует, чтобы этот путь был равен длине звуковой волны =2L. Выдвигая колено ABC на расстояние L от нового положения, мы вновь должны зарегистрировать минимум звука и т.д. L можно измерить по шкале, нанесенной на трубке. Частота звука задается генератором. Тогда скорость звука в воздухе можно определить по формуле:

. (21)

ХОД РАБОТЫ

1. Включите питание звукового генератора, вольтметра и усилителя низкой частоты. Дайте приборам прогреться 2   минуты.

2. Установите частоту выходного сигнала генератора в диапазоне 2000  4000 Гц ручкой «Частота» и переключателем «Множитель».

3. Вольтметр переключите в режим измерения самых малых напряжений. Перемещая колено ABC трубки Квинке и вращая ручку «Рег. Выхода» на панели звукового генератора, убедитесь в наличии сигнала, регистрируемого вольтметром.

4. Перемещением колена ABC добейтесь минимальной величины сигнала. Отметьте соответствующее положение колена.

5. Переместите колено ABC до следующего минимума. Измерьте расстояние L, на которое пришлось задвинуть или выдвинуть колено.

6. По формуле (21) рассчитайте скорость звука.

7. Повторите пункты 4  6 несколько раз и оцените погрешность измерения скорости звука.

8. Повторите измерения скорости звука для нескольких других частот из указанного диапазона. Сравните полученные значения между собой и со справочными данными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ

1. Опишите экспериментальную установку и способ измерения скорости звука.

2. Имеет ли значение материал, из которого изготовлена трубка Квинке? Ответ обоснуйте.

3. Чем на ваш взгляд определяется выбор рабочего диапазона частот 24 кГц?

4. В работе для определения длины звуковой волны измеряется расстояние между минимумами интерференции. Можно ли проделать тот же опыт, отмечая расстояние между максимумами?