Лабораторная работа n 63. Определение скорости звука в воздухе методом стоячей волны

Цель работы состоит в измерении фазовой скорости звуковых волн методом стоячих волн.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Рис. 5.

Приборы и принадлежности: горизонтальная деревянная коробка с подвижной перегородкой (поршнем) и вмонтированными телефоном и микрофоном, резиновая трубка для прослушивания звука, вольтметр.

Общий вид установки показан на рисунке 5. Сигнал от звукового генератора 1 подается на динамик 2, посредством которого создаются колебания воздушного столба в коробке 3. Амплитуда этих колебаний регистрируется вольтметром 4, получающим сигнал с микрофона 5.

Колебания воздушного столба в коробке представляют собой стоячую волну, которая образуется при наложении волны падающей и отраженной от поршня 6. Вблизи поршня возникает узел стоячей волны. Со стороны динамика, где расположен и микрофон пучность наблюдается при условии:

, (24)

где   длина волны звука, l_n  расстояние от динамика до поршня, n  0,1,2... Плавно передвигая поршень и наблюдая при этом за показаниями вольтметра, можно определить два расстояния от динамика до поршня, соответствующие максимумам звука: l_n и l_n1. Тогда

 = 2(l_n1  l_n). (25)

Зная частоту генератора , можно найти фазовую скорость звука в воздухе по формуле

с  , (26)

ХОД РАБОТЫ

1. Включите питание звукового генератора и вольтметра. Дайте приборам прогреться 2   минуты.

2. Ручкой «Частота» и переключателем «Множитель» установите частоту выходного сигнала генератора на лимбе в диапазоне 800  000 Гц, а ручкой «Рег. Выхода» - разумную громкость.

3. Вольтметр установите в режим измерения самых малых напряжений. Перемещая поршень, убедитесь, что вольтметр надежно регистрирует сигнал. Подберите оптимальное соотношение между громкостью звука и чувствительностью вольтметра. Звук не должен мешать окружающим, но вы должны его слышать четко. При этом желательно использовать в измерениях всю шкалу вольтметра.

4. Добейтесь максимальной величины сигнала, перемещая поршень. Отметьте соответствующее положение поршня. Наличие стоячей волны можно проконтролировать на слух, перемещая голову вдоль коробки. При этом громкость звука должна меняться.

5. Перемещая поршень, найдите положение соседнего максимума. Измерьте расстояние L  l_n+1  l_n, на которое пришлось переместить поршень. Из формулы (25) следует, что  = 2L.

6. По формуле (26) рассчитайте скорость звука.

7. Повторите пункты 4  6 несколько раз. Оцените погрешность измерения.

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

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ

1. Опишите экспериментальную установку и способ измерения фазовой скорости звука методом стоячих волн.

2. Имеет ли значение то, что стенки коробки сделаны из дерева, а поршень из металла. Почему?

3. Чем, на ваш взгляд, определяется выбор рабочего диапазона частот 0,82 кГц?