Ćwiczenie 11

Odbicie fali akustycznej: wyznaczanie długości fali częstotliwości metodą rezonansu.

Zagadnienia do opracowania

1. Fale mechaniczne

1. Falą mechaniczną nazywamy przemieszczenie zaburzenia w ośrodku sprężystym w wyniku zaburzeń sprężystych.

2. Rodzaje fal

Fale dzielimy na podłużne i poprzeczne. Fala jest podłużną, jeśli kierunek drgań cząstek ośrodka przenoszącego zaburzenia jest równoległy do kirunku rozchodzenia się fali. Fala jest poprzeczną, jeżeli kierunek drgań cząstek ośrodka przenoszącego zaburzenie jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali.

2. Zjawisko superpozycji fal

Jeżeli do danego punktu docierają z różnych stron zaburzenia (fale) to drganie wypadkowe rozważanego punktu jest superpozycją jego drgań składowych tzn. że wychylenie wypadkowe jest sumą wychyleń składowych. Np.: w danym punkcie spotykają się fale, których wychylenia opisane są równaniami:

y₁ = A₁cos(ωt + kx + ϕ₁)

y₂ = A₂cos(ωt + kx + ϕ₂)

Po zastosowaniu odpowiednich wzorów trygonometrycznych otrzymamy wychylenie wypadkowe opisane równaniem:

Y = Acos(ωt + kx + ϕ)

3. Fale stojące

Fala stojąca powstaje w wyniku nałożenia się (inteferencji) dwóch fal spójnych biegnących w przeciwnych kierunkach.

y₁ = Asin(ωt - kx) - fala przemieszczająca się w prawo

y₂ = Asin(ωt - kx) - fala przemieszczająca się w lewo

Fala wypadkowa (stojąca) jest opisana równaniem:

y = 2Acoskxsinωt

4. Fale słyszalne i cech charakterystyczne dźwięku

Falami dźwiękowymi (akustycznymi) nazywamy fale mechaniczne podłużne, rozchodzące się w ciałach stałych, cieczach i gazach.

Fale dźwiękowe (słyszalne) posiadają umowny przedział częstotliwości od 20 Hz do 20000 Hz. Fale posiadające częstotliwości mniejsze od 20 Hz nazywamy falami infradźwiękowymi, a fale posiadające częstotliwości większe od 20000 Hz nazywamy falami ultradźwiękowymi.

Wykonanie ćwiczenia

1. Przygotować generator RC do pracy włączając go do sieci. Przełącznik częstotliwości ustawimy na zakres 150 - 500 Hz. Pokrętło w prawym górnym rogu służy do dokładniejszego nastawienia częstotliwości fali. Dla podanego zakresu obowiązuje dolna skala przy pokrętle.

2. Amplitudy generowanej fali dobieramy w zależności od warunków akustycznych panujących w pracowni i od czułości słuchu wykonujących doświadczenie. Zazwyczaj wykorzystuje się napięcie wyjściowe nie większe niż 3V.

3. Od prowadzącego ćwiczenia należy uzyskać informacje dla ilu częstotliwości mamy wyznaczyć długość fali akustycznej.

4. Za pomocą specjalnego pokrętła znajdującego się przy rurze szklanej ustawimy lustro wody na takim poziomie, aby wystąpił rezonans. W słuchawkach słyszymy wyraźne wzmocnienie dźwięku.

5. Mierzymy wysokość słupa powietrza w rurze nad wodą l₁.

6. Przy niezmienionym położeniu pokrętła w generztorze podnosimy lub obniżamy poziom wody w rurze do uzyskania rezonansu jak w punkcie 4. Po uzyskaniu rezonansu mierzymy długość słupów powietrza nad lustrem wody l₂ i l₃.

7. Czynności 5 i 6 powtórzyć 5 razy.

Wyniki pomiarów

Lp	l1	l2	l3	l1-l2	l3-l1	λśr 1-5	λśr	fśr 1-5	fśr
-	[m]	[m]	[m]	[m]	[m]	[m]	[m]	[Hz]	[Hz]
1	0.565	0.181	0.953	0.384	0.388
2	0.567	0.178	0.955	0.389	0.388
3	0.562	0.179	0.956	0.383	0.394
4	0.564	0.182	0.953	0.382	0.389
5	0.566	0.182	0.954	0.384	0.388

---