background image

Ć w i c z e n i e  6 

 

WYZNACZANIE PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU W POWIE-

TRZU METODĄ FALI STOJĄCEJ 

 
 

6.1 Opis teoretyczny 

 
W ośrodkach sprężystych wytrącenie pewnego obszaru z położenia równowagi powoduje drgania 
wokół tego położenia. W najprostszym przypadku – drgania harmonicznego, wychylenie z położe-
nia równowagi zmienia się w czasie cosinusoidalnie z częstotliwością kątową 

ω

 
 

 

 

 

 

 

ωt

cos

A

A(t)

0

=

 

 
gdzie:  A

0

 – amplituda drgań, czyli największe wychylenie 

T

π

2

ω

=

, T – okres drgań (niezależny 

od stopnia złożoności drgania). 
 
Wskutek sprężystości ośrodka zaburzenie to przenosi się do coraz dalszych obszarów z prędko-
ścią V zależną od właściwości danego ośrodka. Zjawisko to nazywamy falą mechaniczną. 

W punkcie oddalonym od źródła zaburzenia o x

0

 drgania pojawiają się z opóźnieniem 

V

x

t

0

0

=

 (np. 

na jeziorze w chwili t = 0 rzuciliśmy kamień na odległość x

0

 od brzegu. Fala pojawi się przy brzegu 

dopiero po czasie t

0

 tzn. w chwili t = t

0

). Drganie w tym punkcie opisuje więc równanie: 

 

=

=

V

x

-

t

ω

cos

A

)

t

-

(t

ω

cos

A

t)

,

A(x

0

0

0

0

0

   

 

    (6.1) 

 

Zapisujemy t)

,

A(x

0

 aby zaznaczyć,  że wychylenie A dotyczy konkretnego punktu x

0

 .Ogólnie 

możemy zapisać dla wszystkich punktów x drgającego ośrodka:  
 

=

V

x

-

t

ω

cos

A

t)

,

A(x

0

   

 

 

 

        (6.2) 

 
Równanie to opisuje falę rozchodzącą się w kierunku dodatniej osi x. W przypadku rozchodzenia 
się fali w kierunku przeciwnym, należy x zastąpić przez –x i wówczas: 
 

 +

=

V

x

t

ω

cos

A

t)

,

A(x

0

   

 

 

 

        (6.3) 

 
Długością fali 

λ

 nazywamy najmniejszą odległość między punktami drgającymi w jednakowych 

fazach. Jest ona równa drodze jaką określona faza przebędzie z prędkością V w czasie T: 
 
 

 

 

 

 

 

T

V

λ

=

 

stąd 

f

λ

V

=

 

 

 

 

 

 

(6.4) 

 

background image

gdzie 

T

1

f

=

  - częstotliwość propagujących się drgań. 

Jest to wzór słuszny dla każdego typu fali. 
Powierzchnię utworzoną przez punkty, do których doszło w danej chwili zaburzenie nazywamy 
czołem fali. Fale mogą więc być płaskie (w przypadku gdy fala rozchodzi się w jednym kierunku), 
kuliste

 (gdy źródło wysyła energię drgania tak samo we wszystkich kierunkach) oraz inne w przy-

padkach pośrednich.  
W zależności od kierunku drgań cząsteczek ośrodka względem kierunku rozchodzenia się fali, fale 
mogą być podłużne – cząstki drgają równolegle, lub poprzeczne - cząstki drgają prostopadle do 
kierunku propagacji (czyli rozchodzenia się) fali. Fale poprzeczne powstają w ośrodkach charakte-
ryzujących się sprężystością postaci (sztywnością). Dla występowania fal podłużnych wystarczają-
cy jest warunek sprężystości objętości. W cieczach i gazach mogą rozchodzić się tylko fale podłuż-
ne. W ciałach stałych mogą występować również fale poprzeczne. Dźwięk (fala akustyczna) to fala 
podłużna, czyli rozchodzące się rozrzedzenia i zagęszczenia powietrza. Zmiana ciśnienia p

∆  ma 

również charakter harmoniczny. Falę akustyczną można więc traktować jak falę przemieszczeń (o 
amplitudzie A

0

) lub jak falę zmian ciśnień o amplitudzie 

0

0

A

V

ω

ρ

p

=

 (gdzie  ρ  gęstość gazu) : 

=

V

x

-

t

ω

sin

p

t)

,

p(x

0

  

 

 

 

(6.5) 

 
Ponieważ przemieszczenia przesunięte są w stosunku do ciśnień o 90

o

, maksymalnemu ciśnieniu 

odpowiada zerowe przemieszczenie i odwrotnie maksymalnemu przemieszczeniu – zerowe ciśnie-
nie. Dlatego we wzorze tym występuje sinus zamiast cosinusa. 
Metoda pomiaru prędkości dźwięku w niniejszym ćwiczeniu polega na wytworzeniu w słupie po-
wietrza (rurze) fali stojącej. Powstaje ona w wyniku interferencji (nałożenia się) dwóch identycz-
nych fal, ale rozchodzących się w przeciwnych kierunkach i o przesuniętych względem siebie fa-
zach o kąt 

π

. W określonym punkcie x rury wychylenie cząsteczek gazu od położenia równowagi 

można określić z równania: 
 

 +

=

+

 +

+

=

V

x

t

ω

cos

A

V

x

-

t

ω

cos

A

π

V

x

t

ω

ω

cos

A

V

x

-

t

ω

cos

A

t)

,

A(x

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.6) 

Po jego przekształceniu otrzymujemy: 
 

=

T

t

π

2

sin

λ

x

π

2

sin

A

2

t)

,

A(x

0

 

   (6.7) 

Czynnik 

T

t

π

2

sin

 wskazuje na to, że cząsteczka gazu w punkcie x drga z częstotliwością spo-

tykających się fal. Ich amplituda zależy od punktu x i określona jest przez czynnik 

λ

x

π

2

sin

A

2

0

. Taki stan gazu w rurze nazywamy falą stojącą. W stanie tym można wyróżnić 

takie płaszczyzny prostopadłe do osi rury, w których cząsteczki mają zerową amplitudę drgań (są to 
tzw. węzły fali stojącej) oraz płaszczyzny, w których amplituda drgań jest równa 2 A

0

 (są to tzw. 

strzałki). Mierząc ciśnienie w tych płaszczyznach otrzymalibyśmy odpowiednio maksymalne i mi-
nimalne ciśnienie. Falę stojącą jest łatwo otrzymać poprzez nałożenie danej fali na jej odbicie, gdyż 
fala odbijając się (np. od gładkiej ścianki) oprócz kierunku zmienia fazę drgań na przeciwną (tzn. o 
kąt 

π

). W tak wytworzonej sytuacji cały ośrodek (powietrze w rurze) jest pobudzany do drgania 

background image

przez dwie specyficzne fale. Udział w drganiu bierze cały ośrodek. Nie ma tu jednak zjawiska roz-
chodzenia się zaburzenia. Nie jest to więc fala w sensie opisanym wyżej, lecz szczególny stan drga-
nia ośrodka. 

Położenie strzałek można wyznaczyć z warunku 

1

λ

x

π

2

sin

S

=

 

 

4

λ

1)

(2n

x

n

S

+

=

 

 n 

0,1,2,.. 

   (6.8) 

 

Odległość między kolejnymi strzałkami oblicza się z różnicy sąsiednich położeń:  
 

2

λ

x

x

n

1

n

S

S

=

+

 

 
i równa ona jest połowie długości interferujących ze sobą fal. 
Podobnie można wyznaczyć odległość między kolejnymi węzłami, badając warunek 

0

λ

x

π

2

sin

W

=

 

4

λ

2n

x

n

W

=

 

 n 

0,1,2,.. 

   (6.9) 

 

 

 

 

 

2

λ

x

x

n

1

n

W

W

=

+

 

 
Z zależności (6.8) i (6.9) łatwo pokazać,  że odległość pomiędzy sąsiednimi węzłami i strzałkami 
równa jest jednej czwartej długości fali. 
 

 

6.2 Opis układu pomiarowego 

 

Zestaw do wytwarzania i rejestracji fali stojącej w słupie powietrza przedstawiony jest na rys. 6.1. 
Podstawowym jego elementem jest rozsuwana rura (tzw. rura Kunta), zakończona z dwóch stron 
denkami. Poprzez małe otworki w denkach z jednej strony na słup powietrza w rurze oddziałuje 
membrana głośnika, pobudzana do drgań z generatora akustycznego. Z drugiej strony słup powie-
trza działa na mikrofon, połączony poprzez wzmacniacz z oscyloskopem. Mała ilość otworków jak 
i ich rozmiary pozwala przyjąć,  że oba końce rury zakończone są nieruchomymi ściankami. Od-
działywania: słup powietrza – mikrofon oraz membrana głośnika - słup powietrza odbywa się po-
przez zmianę ciśnienia, które jak pokazano w poprzednim punkcie jest przesunięte w stosunku do 
przemieszczeń cząsteczek o 90

0

. Ponieważ końce rury to nieruchome ścianki, fazy fali padającej i 

odbitej muszą być takie, aby na nieruchomej ściance zawsze był  węzeł (brak przemieszczeń. Za-
chodzi to tylko wtedy, gdy fala padająca i odbita są przesunięte w stosunku do siebie o kąt 180

0

 . W 

przypadku gdy długość rury jest całkowitą wielokrotnością połowy długości fali, zachodzi dodat-
kowo zjawisko rezonansu, w efekcie którego następuje zwiększenie amplitud w miejscu strzałek i 
ciśnienia w miejscu węzłów. Zjawisko to łatwo daje się zaobserwować: na mikrofon umieszczony 
w węźle fali stojącej działa maksymalne ciśnienie (strzałka ciśnienia) i drgania obserwowane na 
oscyloskopie są wówczas największe. Zmieniając długość rury, przy ustalonej częstotliwości drgań 
membrany, otrzymujemy kolejne maksyma amplitud drgań obserwowanych na oscyloskopie. 
 

background image

 
 
 
 
 

 

Generator 

  akustyczny 

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      OSCYLOSKOP 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

      

  R U R A 

 
 
 
 
 

 

  Głośnik 

 

 

 

    

   Mikrofon 

 

Rys.6.1  Schemat układu do pomiaru prędkości dźwięku w powietrzu. 

 
Oznaczając przez l(0) położenie rury dla którego otrzymujemy pierwsze maksimum amplitudy 
drgań, a przez l(n) n = 1,2,3,..kolejne następne położenia. Z omówionej teorii powstawania fali sto-
jącej wynika związek: 
 

 

 

 

 

 

2

)

0

(

)

(

λ

n

l

n

l

+

=

 

  n 

1,2,3,.. 

 

Funkcja l(n) jest funkcją liniową o współczynniku kierunkowym 

2

a

λ

=  i wyrazie wolnym  b = l(0).  

Znając współczynnik nachylenia  a ,  a  więc 

2

λ

 i korzystając ze wzory (6.4) łatwo wyznaczamy 

prędkość dźwięku: 

 

 

 

 

 

 

f

a

2

V

=

 

 

 

 

 

(6.10) 

  
Wielkość  l(n)  odczytujemy na skali centymetrowej umieszczonej na bocznej powierzchni rury. 
Częstotliwość f ustala się na generatorze drgań akustycznych. 

 

 

6.3. Przebieg pomiarów 

 
1.  Włączyć generator drgań akustycznych i oscyloskop. Obraz na ekranie oscyloskopu powinien 

być ostry. 

2.  Ustawić częstotliwość drgań generowanych przez generator na wartość z zakresu 1500 – 2500 

Hz. 

background image

3.  Wysuwając rurę znaleźć kolejno po sobie następujące położenia l(n) , dla których amplituda 

drgań obserwowanych na oscyloskopie osiąga maksimum. 

4.  Pomiary powtórzyć dla 3 – 4 różnych wartości częstotliwości. 
 
 

6.4. Opracowanie wyników pomiarów. 

 

1.  Rezultaty pomiarów przedstawić na wykresie, odkładając na osi odciętych kolejne numery re-

zonansów n (0,1,2,3,...), a na osi rzędnych odpowiadające im położenia rury l(n)  

2.  Po naniesionych punktach poprowadzić optymalną prostą. Wyznaczyć współczynnik nachylenia 

prostej  a oraz błąd jego wyznaczenia

a

σ

.  

3.  Obliczyć prędkość dźwięku w powietrzu (wzór 6.10) 
4.  Punkty 1-3 powtórzyć dla pozostałych częstotliwości. 

5.  Błąd pomiaru częstotliwości 

f

σ

 związany jest ze stabilizacją pracy generatora. 

6.  Korzystając z prawa przenoszenia błędów, możemy obliczyć średni błąd kwadratowy wyzna-

czonych prędkości: 

(

)

(

)

2

2

V

2

2

σ

a

f

f

a

σ

σ

+

=

 

 
 

6.5. Pytania kontrolne 

 

1.  Wyprowadzić równanie fali stojącej.  
2.  Podać warunek fali stojącej w rurze zamkniętej z jednego końca. 
3.  Opisać falę akustyczną w powietrzu. 
4.  Opisać falę akustyczną w ciele stałym.  
5.  Czy można mówić o spolaryzowanej fali akustycznej w powietrzu oraz w ciele stałym? 
6.  Wymienić inne metody wyznaczenia prędkości dźwięku. 

 

L i t e r a t u r a 

 

[1] Crawford F.C.: Fale. PWN, Warszawa 1973. 
[2] Massalski J.M.: Fizyka dla inżynierów, cz.2, WNT, Warszawa 1975. 
[3] Resnik R., Halliday D.: Fizyka, t.1. PWN, Warszawa 1975.