Tabela
104
|
13.03.95 |
Maciej Walczak
|
Wydział Elektryczny |
Semestr II |
Grupa E-1 |
||
|
|
mgr Barbara Perska
|
|
|
|
Temat: Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą badania przesunięcia fazowego
Rozchodzenie się dźwięku odbywa się w postaci fali mechanicznej i może mieć miejsce tylko w ośrodku sprężystym.
Jeżeli pewien element ośrodka, którego cząsteczki są ze sobą wzajemnie związane, pobudzimy do drgań, wówczas energia drgań tego elementu będzie przekazywana do punktów sąsiednich i wywoływała ich drgania.
Proces rozchodzenia się drgań w ośrodku nazywamy falą .Zauważmy, że w ruchu falowym cząsteczki ośrodka nie podążają za rozchodzącą się falą, lecz drgają wokół ustalonych położeń równowagi.
Jeżeli kierunek drgań cząsteczek i kierunek rozchodzenia się fali są zgodne, falę nazywamy podłużną , jeżeli natomiast drgania cząsteczek odbywają się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali, falę nazywamy poprzeczną .
Charakter fali rozchodzącej się w ośrodku zależy od jego własności sprężystych. Jeżeli wskutek przesunięcia jednej warstwy ośrodka względem drugiej powstają siły sprężyste dążące do przywrócenia warstwy przesuniętej do położenia równowagi, to w ośrodku mogą się rozchodzić fale poprzeczne i podłużne (na ogół ośrodkiem takim jest ciało stałe). Gdy między przesuniętymi warstwami ośrodka siły sprężyste nie występują, to w ośrodku takim mogą się rozchodzić tylko fale podłużne (tak dzieje się w cieczach i gazach).
Najczęściej spotykanym ruchem drgającym jest ruch harmoniczny , w którym wychylenie „y” zmienia się w czasie „t” według równania
(104.1),
gdzie: A - amplituda, ω - częstość kołowa, ϕo - faza początkowa
Faza początkowa ϕo określa stan ruchu w chwili t = 0 i jest obrany w sposób dowolny. Obierając np. ϕo = 0 przyjmujemy, że w chwili t = 0 punkt drgający przechodzi przez położenie równowagi na stronę wychyleń dodatnich. Fazę wyrażamy w jednostkach kątowych (stopniach lub radianach). Przykładowy wykres ruchu harmonicznego z zaznaczeniem niektórych faz przedstawia rysunek.
ϕo = 0
Jeżeli fala biegnie w kierunku osi „x” wówczas kolejne punkty ośrodka pobudzane są do drgań i osiągają tę sama fazę z pewnym opóźnieniem. Prędkość przesuwania się wychylenia o stałej fazie jest prędkością rozchodzenia się fali .
Wychylenie „y” dowolnej chwili „t”, w odległości „x” od źródła drgań opisane jest funkcją falową
(104.2),
gdzie: ω - częstość kołowa , - liczba falowa , λ - długość fali , ϕo - faza w punkcie x = 0 i w chwili t = 0.
Równanie fali jest podwójnie okresowe : względem czasu i przestrzeni. Przy ustalonej wartości „x” opisuje ono drgania cząsteczki wokół położenia równowagi - drgania te są periodyczne z okresem „T”. Ustalając w równaniu (104.2) czas otrzymujemy zależność wychylenia cząsteczek od ich położenia w określonej chwili - zależność ta przedstawia kształt fali . Odległości między najbliższymi punktami posiadającymi tę samą fazę nazywamy długością fali .
Związek między okresem i długością fali znajdziemy rozpatrując ruch wychylenia o stałej fazie. Stałość fazy opisujemy równaniem
(104.3),
Aby obliczyć prędkość przesuwania się stałej fazy znajdujemy pochodną położenia względem czasu
(104.4),
Wstawiając definicyjne określenie w miejsce ω i k oraz oznaczając otrzymujemy związek między prędkością v , okresem T i długością fali
, (104.5)
Zatem długość fali jest drogą przebywaną przez falę w czasie jednego okresu.
Fale akustyczne mogą się rozchodzić w ciałach stałych, cieczach i gazach. Fale akustyczne, których częstotliwość zawarta jest w przedziale 20 Hz do 20 000 Hz nazywamy falami słyszalnymi, gdyż wywołują one w mózgu człowieka wrażenia słuchowe.
Źródłem fali słyszalnych są drgające struny (np. skrzypce, ludzkie struny głosowe), drgające słupy powietrza (np. piszczałki, organy, klarnet) oraz drgające płyty i membrany (np. bęben, głośnik). Te drgające przedmioty na przemian zagęszczają i rozrzedzają otaczające powietrze powodując ruch cząsteczek do przodu i do tyłu. Powietrze przenosi to zaburzenie od źródła w przestrzeń.
Wrażenie odbieranego dźwięku określone jest przez jego natężenie, wysokość i barwę . Wymienione cechy dźwięku zależą od odpowiednich parametrów falowych - amplitudy, częstotliwości, oraz zawartości drgań harmonicznych.
Pomiary i obliczenia :
Dokładność pomiarów:
f = ± 1 [Hz]
A,B,λ = ± 0.5 [cm]
Tabela pomiarowa:
Korzystając ze wzoru obliczam prędkość dźwięku
Lp. |
f [Hz] |
A [cm] |
B [cm] |
λ=B-A [m] |
v [m/s] |
|
2012 |
49.0 |
67.0 |
0.170 |
342.04 |
|
1807 |
25.5 |
43.0 |
0.175 |
316.23 |
|
1650 |
38.0 |
57.5 |
0.195 |
321.75 |
|
1345 |
46.5 |
70.5 |
0.240 |
322.80 |
|
1046 |
31.5 |
66.0 |
0.345 |
360.87 |
|
862 |
18.0 |
59.0 |
0.410 |
353.42 |
|
710 |
23.0 |
73.5 |
0.505 |
358.55 |
Prędkość średnia :
vśr = 339.38 [m/s]
Błąd średniej arytmetycznej :
Wynik pomiarów z uwzględnieniem błędu:
vśr= 339±7 [m/s]
Ze wzoru:
Obliczam prędkość dźwięku w powietrzu:
faza(ωt+ϕo) [rad]
A
T/2