Измерение скорости распространения звуковых волн в воздухе методом стоячих волн при разных температурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение скорости распространения звуковых волн в воздухе методом стоячих волн при разных температурах

Фокин Федор

Москва 2013

Введение

С нашим ритмом жизни наш мир можно назвать миром звуков. С его помощью люди общаются, с помощью слуха мы получаем информацию об окружающем мире. В физике, звук - это механические колебания, которые распространяются в газах, жидкостях, твёрдых телах. И во всех этих средах звук распространяется по-разному. Кроме того, существует несколько видов звука, такие как ультразвук и инфразвук. Все они нашли свое применение в современной науке, а также сами являются объектами исследования. Посредством звуковых волн в авиации передаются сигналы, звуковые волны используются в различных видах акустики. Например, архитектурная акустика изучает распространение звука в различных помещениях, отражение и поглощение звука поверхностями. Музыкальная акустика изучает свойства музыкальных звуков. Другой вид звука, ультразвук, мы можем встретить в природе в виде ориентирования летучих мышей в пространстве. Они используют эхолокацию, то есть, посылая ультразвуковые волны, и принимая отраженные, они понимают, где находятся объекты, и, таким образом, могут ориентироваться в полной темноте. На этом же принципе основано исследование океанских впадин, определение их глубин и рельефа. В промышленности ультразвук используют для обработки металлов (резка, сварка). В медицине используют метод ультразвуковой диагностики (ультразвуковое исследование), с помощью которого получают изображение внутренних органов, избегая вскрытия. Эта процедура основана на разности скоростей волн в разных тканях и органах. В обиходе мы можем использовать ультразвук в качестве отпугивателя грызунов и собак. Третий вид звука, инфразвук, известен своим действием на организм человека. Его применение обусловлено малым поглощением в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны могут распространяться на большие расстояния. Это свойство можно использовать для предсказания цунами, так как оно начинается за сотни километров от берега.

Цель моей работы - получение данных о скорости распространения звуковых волн в воздухе методом стоячих волн при разных температурах, и представление получившихся результатов. Исследование будет проводиться при помощи самостоятельно собранной и отлаженной установки, идея которой взята из одного из источников литературы. Ее устройство описано в первой главе работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разобраться с теоретической частью работы, т. к. понять методику проведения исследования.

2. Создание установки для проведения эксперимента.

3. Отладка созданной установки.

4. Проведение эксперимента.

5. Анализ полученных данных. На их основе сделать вывод и представить информацию о скоростях распространения звука.

Теоретическая глава

Для подготовки и проведения эксперимента необходимо подробное изучение теоретического материала данной темы, то есть надо разобраться с понятием волны, процессом распространения волн, свойствами колебаний. Механическими колебаниями называют движения тел, повторяющиеся ровно или точно через одинаковые промежутки времени, то есть механические колебания - это поочередные периодические движения тела. Колебания происходят в результате взаимодействия тел, а взаимодействующие тела называют колебательной системой. Силы, действующие внутри системы, называют внутренними силами. Колебания под действием внутренних сил называют свободными колебаниями. Например, колебания груза на пружине, то есть груз на пружине продолжает колебаться после выведения его из положения равновесия.

Колебания бывают разные, но для описания характера колебаний существуют величины, которые определяются одинаково для всех типов колебаний и не меняются на протяжении всего колебания: период, частота и амплитуда. звуковой волна колебание

Периодом колебаний называют минимальный интервал времени, через который тело оказывается в той же точке пространства, имея ту же скорость и ускорение. Иначе говоря, период - это время, за которое тело совершает одно полное колебание (тело переходит из состояния 1 в состояние 2, а затем обратно). То есть период равен отношению времени колебаний к числу полных колебаний:

Частота колебаний - отношение числа колебаний ко времени, за которое они были совершены. Обозначается буквой греческого алфавита, измеряется в герцах. 1 герц - частота колебаний, при которой за одну секунду совершается одно полное колебаний. Как видно из определения, период и частота связаны между собой:

Третьей характеристикой колебаний является амплитуда, то есть наибольшее смещение тела от положения равновесия. Единицей измерения амплитуды в СИ - м, [А]=м.

Например, рассмотрим математический маятник. Для рассмотрения такого маятника в теории используют его модель: подвешенное тело считают материальной точкой, а нить - невесомой и нерастяжимой. Материальная точка - тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи. При малых отклонениях его период будет равен

,

где l-длина маятника.

Еще одним видом колебаний являются вынужденные. Такими колебаниями называют колебания, совершающиеся периодически под действием внешних сил. Другими словами, на колеблющуюся систему действует периодическая внешняя сила, которая препятствует их затуханию.

Если рассматривать механические колебания в непрерывной среде, состоящей из взаимодействующих частиц, то процесс их распространения будет называться механической волной. Для возникновения волны необходим источник (например, вибрирующее тело). Волны распространяются с конечной скоростью. Это связано с тем, что при распространении частицы среды не перемещаются в направлении движения волны, а лишь колеблются около положения равновесия. Очевидно, что чем дальше частица расположена от источника колебаний, тем позже она начнет колебаться. От частицы к частице передается только состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основное свойство всех волн состоит в том, что энергия переносится без переноса вещества. Волны распространяются в виде продольных и поперечных. Продольные волны - волны, в которых колебание частиц происходит в направлении движения волны. Такие волны возникают в жидкой и газообразной средах. В твердых телах кроме продольных возникают поперечные волны, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волн. Например, при ударе о струну перпендикулярно ее направлению, волна распространяется вдоль струны.

Волны, имеющие частоту от 16 до 20000 герц, называются звуковыми волнами (звуком). Волны данной частоты, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Инфракрасные волны (<16 Гц) и ультразвуковые (>20000 Гц) человеческий слух не воспринимает.

Так как волны могут распространяться с разной скоростью в зависимости от расстояния между частицами среды, существует понятие, именуемое скоростью волны. Скоростью распространения волны называют скорость перемещения гребня или впадины в поперечной волне либо сжатия или растяжения в продольной. Расстояние между двумя ближайшими точками, движущимися одинаково в любой момент времени, называется длиной волны (рис.1) и обозначается греческой буквой .

За период колебания распространяются на расстояние, равное длине волны:

,

где - скорость распространения волны.

Скорость волны связаны с частотой колебаний:

Все волны подчиняются следующему уравнению:

,

где - смещение точек среды с координатой x в момент времени t, А - амплитуда колебаний, - круговая частота, k - волновое число, - начальная фаза колебаний.

Как видно из названия исследования, оно связано со скоростью распространения волн и с таким понятием, как стоячие волны. Стоячие волны - волны, образующиеся при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами. В основе стоячих волн лежит явление интерференции волн. Интерференция - явление увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны при сложении двух или нескольких волн с одинаковыми частотами. Если волна отразилась от препятствия в той же фазе, в которой к нему пришла, то результирующая волна усилится. В обратном случае - погасится. У стоячей волны есть точки, где амплитуда стоячей волны вдвое больше амплитуды бегущей волны. Эти точки называют пучностями стоячей волны. Точки, где амплитуда стоячей волны равна нуля, называются узлами стоячей волны.

Идея и методика выполнения исследования были взяты из источника литературы [1]. Согласно данному источнику, процесс распространения звуковой волны происходит без теплообмена, то есть является адиабатическим. В ограниченной трубе, в какой и будет проводиться эксперимент, стоячая волна может возникнуть вследствие сложения двух волн: падающей и отраженной. Но возникновение стоячей волны произойдет только при определенном соотношении между длиной распространяющейся волны и длиной трубы. Если условия на концах трубы различны, как это будет в эксперименте, то есть источник колебаний находиться у открытого конца трубы, а второй конец закрыт крышкой (поршнем), то в такой системе должно выполняться условие:

,

где - целое положительное число, равное количеству положений поршня для максимальной силы звука при дано удалении поршня от источника звука. Это обусловлено тем, что на открытом конце трубы должна обязательно быть пучность смещения, а на закрытом конце - узел. Если плавно изменять длину трубы с постоянной частотой излучения, то при некоторых положениях отражающего поршня будет прослушиваться усиление звука, то есть возникает стоячая волна. В пучностях волны амплитуда колебаний возрастает в два раза, соответственно возрастает и сила звука. Согласно последней формуле, расстояние между двумя ближайшими положениями поршня, соответствующими усилению звука, равно половине длины волны . Измерив это расстояние , длину звуковой волны можно найти по формуле

.

В реальных условиях звуковые волны при распространении постепенно затухают, что связано с поглощением энергии в столбе воздуха, с излучение волн в окружающую среду из открытого конца трубы. Это излучение приводит к тому, что пучность смещения располагается не у конца трубы, а за ее пределами. То есть между узлом смещения и концом трубы укладывается отрезок, равный , где - радиус трубы. Но и в этом случае формула длины волны остается неизменной. Получив, таким образом, величину длины волны, и, зная частоту излучения волн, можно рассчитать скорость распространения излучаемых волн, в чем и заключается смысл работы.

Схема образования стоячей волны в результате интерференции падающей и отраженной волн выглядит следующим образом:

Падающая волна выделена красным цветом, отраженная волна выделена синим цветом, а результирующая - зеленым. По оси абсцисс откладывается длина волны, а по оси ординат - амплитуда колебаний. В основе построения этой схемы лежит явление противофазного отражения. Согласно этому явлению, если волна отражается от более плотной среды, чем среда, в которой она распространяется, в момент отражения у отраженной волны фаза несомых колебаний меняется на радиан, что соответствует "потере" полудлины волны. Поэтому при построении этого графика от продолжения падающей волны после преграды была отсечена половина длины волны, затем график сдвигался и зеркально отражался относительно преграды. В точках с нулевой амплитудой колебаний, то есть в узлах колебаний, о которых было сказано ранее, энергия не переносится. Видно, что при некоторых положениях отражателя волны будут гасить друг друга, а при других будут усиливаться, будет образовываться стоячая волна. Именно такие положения отражателя необходимо было зафиксировать для получения результатов исследования.

Выводы

Эксперимент был проведен при трех разных температурах: 263, 276 и 293K. Результаты каждого из экспериментов можно посмотреть в приложенных файлах.

В процессе эксперимента использовался звуковой генератор и заранее собранная установка, устройство которой описано в первой главе исследования. Далее на генераторе выбиралась необходимая частота подаваемых в динамик звуковых волн. Затем, путем передвижения поршня вдоль трубы, были определены положения, при которых громкость звука была наибольшей. Так как наибольшая громкость определялась на слух, для более точных результатов эксперимент был проведен по несколько раз для каждой выбранной частоты волн, и найдено среднее арифметическое между этими положениями. Разница между двумя ближайшими положениями равна половине длины волны. Найдя среднее значение половины длины волны, была вычислена длина волны, а затем и скорость распространения звуковых при данной температуре и частоте, руководствуясь тем, что скорость равна произведению частоты волны на ее длину:

В ходе эксперимента были получены следующие результаты:

Для Т=263К:

Для Т=276К:

Для Т=293К:

По полученным данным были созданы графики, отражающие зависимость скорости распространения волн от частоты при определенной температуре:

Из графиков видно, что с повышением температуры возрастает и скорость распространения звука. При температуре 263К зависимость линейная, чего не наблюдается при остальных температурах.

Также были созданы графики зависимости скорости от температуры при фиксированной частоте и общий график:

Из общего графика видно, что, независимо от частоты подаваемых волн, зависимость получается почти прямолинейная. Но повышение скорости распространения волн при повышении частоты заметно только на относительно малых частотах, чего нельзя сказать о частотах, превышающих 1000Гц. Научного объяснения этой зависимости пока не найдено.

Список литературы

1. Механика. Методические указания по выполнению лабораторных работ. Ч.П / Под общей ред. А.В. Туркина. - М.:ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. - 48 с.

2. Физика: Учеб. Пособие для 11 кл. шк. и классов с углубл. изуч. Физики/ А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др.: Под ред. А.А. Пинского. - М.: Просвещение, 1994. - 432 с.

3. Краткий курс физики: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высш. шк.; 2000. - 352 с.: ил.

4. Физика: справочник для старшеклассников и поступающих в вузы / О.Ф. Кабардин. - М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2011. - 528 с.: ил.

5. Справочник школьника. Физика: М.; Филологическое общество "Слово", Компания "Ключ-С", 1995. - 576 с.

6. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. Учебное пособие/Под ред. В.А. Красильникова. - М.:Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru