Uniwersytet Śląski WYDZIAŁ TECHNIKI Sosnowiec	SPRAWOZDANIE Z ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH	Kierunek WTZ	Semestr II	Sprawdził:
					Data wyk. Ćwiczenia 7.0.00r.
INSTYTUT PROBLEMÓW TECHNIKI		Temat: WYZNACZANIE PRĘDKOŚCI ROZCHODZENIA SIĘ DŹWIĘKU PRZY POMOCY DEFEKTOSKOPU	Nazwisko i imię: Zenon		Ocena:
ZAKŁAD FIZYKI

WYNIKI 10 POMIARÓW BADANYCH WALCÓW

Lp.	walec mosiężny		walec aluminiowy I		walec aluminiowy II
		wysokość l [mm]	średnica φ [mm]	wysokość l [mm]	średnica φ [mm]	wysokość l [mm]	średnica φ [mm]
1	109,9	29,95	91,0	29,8	127,3	29,8
2	109,65	29,9	91,1	29,85	127,35	29,8
3	109,6	29,9	91,1	29,8	127,4	29,8
4	109,6	29,9	90,95	29,85	127,35	29,8
5	109,6	29,9	91,0	29,85	127,3	29,8
6	109,7	29,9	91,1	29,85	127,4	29,8
7	109,75	29,9	91,0	29,8	127,3	29,8
8	109,7	29,85	91,0	29,85	127,3	29,8
9	109,75	29,9	91,0	29,8	127,3	29,85
10	109,8	29,95	91,1	29,85	127,3	29,8
	t = 60 μm x1 = 40 mm x2 = 7 mm m = 603,5 g		t = 35 μm x1 = 8,2 mm x2 = 5,1 mm m = 180,3 g		t = 50 μm x1 = 4,4 mm x2 = 3,2 mm m = 254.11 g

* Dźwięki jako fale

Szczególnym rodzajem fal sprężystych są fale dźwiękowe, nazywane czasem falami akustycznymi lub głosowymi.

Fale dźwiękowe to fale sprężyste, których zakres częstotliwości jest taki sam, jak pasmo słyszalności człowieka. Obejmuje ono pasmo częstotliwości od 20 do 20 000 herców (Hz).

Fale, których częstotliwość leży poniżej 20 Hz to fale infradźwiękowe. Nie są więc one odbierane przez ucho ludzkie. Są one najprawdopodobniej odbierane przez ryby i zwierzęta morskie. Fale te wywołują niekorzystny wpływ na człowieka.

Fale, których częstotliwość przekracza 20 000 Hz nazywane są falami ultradźwiękowymi. Są one bardzo szeroko wykorzystywane w technice (obróbka mechaniczna ciał stałych), medycynie (diagnostyka i terapia) oraz komunikacji (echosonda na statkach i jachtach).

* Wielkości charakteryzujące dźwięk

PRĘDKOŚĆ ROZCHODZENIA SIĘ FALI DŹWIĘKOWEJ

Zależy od warunków pogodowych: wiatru, temperatury i wilgotności powietrza. Nie zależy jednak ani od głośności dźwięku, ani od częstotliwości.

W suchym powietrzu o temperaturze 0⁰C prędkość ta wynosi ok. 330m/s, w typowej temperaturze 20⁰C dźwięk porusza się z prędkością 340m/s.

Obecność pary wodnej zwiększa prędkość dźwięku w powietrzu. Ponadto dźwięk biegnie szybciej w powietrzu ciepłym niż zimny.

Prędkość fal dźwiękowych zależy od właściwości fizycznych ośrodka, w którym się rozchodzą.

W ciałach stałych wyznacza się ją za pomocą następującego wzoru:

E 2l

v= √ (lub v= )

ς t

gdzie v - prędkość dźwięku w ciele stałym [m/s], ς - gęstość [kg/m³], E - moduł Younga [N/m²].

W cieczach prędkość dźwięku wyznacza się za pomocą wzoru:

1

v=√

ς α

gdzie α - współczynnik ściśliwości cieczy [m²/N].

Natomiast prędkość dźwięku w gazach wyznaczamy ze wzoru:

xp

v=√

ς

gdzie: p - ciśnienie gazu [N/m²], x - stosunek ciepła właściwego gazu przy stałym ciśnieniu do jego ciepła właściwego przy stałej objętości.

CZĘSTOTLIWOŚĆ DRGAŃ

Jest równa liczbie okresów drgań przypadających na jedną sekundę.

ν = 1/T

gdzie T okres fali dźwiękowej

DŁUGOŚĆ FALI DŹWIĘKOWEJ

Jest odległością między dwoma najbliższymi punktami, których początkowe fazy drgań różnią się o 2π.

Związek, jaki łączy długość fali dźwiękowej z jej prędkością rozchodzenia się v oraz okresem drgań dany jest wzorem:

λ= vT= v/f

Długość fal dźwiękowych w powietrzu wynosi od 21m do 1,7 cm w warunkach normalnych.

NATĘŻENIE DŹWIĘKU

Definiuje się jako stosunek energii przechodzącej w jednostce czasu, czyli mocy akustycznej, do pola powierzchni S ustawionej prostopadle do kierunku rozchodzenia się dźwięku:

P

I = [W/m²]

S

gdzie : P - moc fali akustycznej [W], S - powierzchnia prostopadła do kierunku rozchodzenia się fali [m²].

* Echo, dudnienia

Echem nazywamy falę dźwiękową odbitą od przeszkody. W pomieszczeniach zamkniętych mogą powstawać fale stojące. Szczególnie ważny jest przypadek, jeżeli odległość między przeciwległymi ścianami jest równa wielokrotności połowy długości fali. Częstotliwość odpowiadająca takim długościom fali nazywa się częstotliwością rezonansową.

Dudnieniem nazywamy zjawisko okresowej zmiany amplitudy w wyniku nakładania się fal o mało różniących się częstotliwościach.

Jaki jest wynik nakładania się dwóch fal o różnych częstotliwościach?

y₁(x, t) = A sin ω₁ (t-x/ v)

y₂(x, t) = A sin ω₂ (t-x/ v)

W wyniku nakładania się chwilowych wychyleń otrzymujemy inna falę, której równanie jest następujące:

y(x, )t = y₁(x, t) + y₂(x, t) =

ω₁ + ω₂ x ω₁ + ω₂ x

2Asin (t - ) cos (t - )

2 v 2 v

* Logarytmiczny dekrement tłumienia β

Pojęcie to wprowadza się w przypadku drgań tłumionych. Dekrement tłumienia jest logarytmem stosunku dwóch kolejnych amplitud: zerowej x₁ i pierwszej x₂:

β = ln [x₁/ x₂]

x₁exp(-αt)

lub β = ln = ln expαT

x₂exp[-αt(t+T)]

skąd β=αt

gdzie α - stała tłumienia.

* Defektoskopia ultradźwiękowa

to metoda wykrywania i rejestrowania wewnętrznych wad, usterek w strukturze przedmiotów metalowych (zanieczyszczeń, pęcherzy, pęknięć) za pomocą fal ultradźwiękowych.

Badanie przeprowadza się metodą przepuszczania lub echa w zależności od miejsca zamocowania przetwornika odbijającego fale.

W metodzie przepuszczania z jednej strony badanego materiału umieszczany jest nadajnik ultradźwiękowy wysyłający krótkie impulsy, z drugiej strony zaś umieszczany jest odbiornik. Z pomiaru wielkości impulsu wysyłanego można kreślić tłumienie fali w materiale.

W metodzie echa nadajnik fal ultradźwiękowych po wysłaniu impulsu przełączony jest na odbiór i pracuje jako odbiornik, umieszczony z tej samej strony materiału odbiornik odbiera impulsy odbite od przeciwległej krawędzi materiału.

OPIS ĆWICZENIA

Należy rozpocząć od zapoznania się z instrukcją obsługi defektoskopu DI-8-R.

Następnie otrzymane modele walców (jeden mosiężny, dwa aluminiowe) zmierzyć dziesięciokrotnie suwmiarką oraz zważyć. Wyniki zapisać i obliczyć średnie arytmetyczne. Po czym krawędź walca posmarować olejem przyłożyć sondę do nasmarowanej powierzchni i odczytać na ekranie defektoskopu odległość od jednego pika (x₁) do drugiego (x₂), po czym przełączyć ekran defektoskopu i odczytać czas, przyjmując stałe 90μs dla każdego odczytu.

Następnie mając wyniki pomiarów należy przejść do obliczania: prędkości dźwięku, gęstości, modułu Younga, stałej tłumienia oraz dekrementu dla każdego modelu walca.

WALEC MOSIĘŻNY

średnia arytmetyczna z długości l = 109,7x10^-3 m

średnia arytmetyczna ze średnicy φ = 29,9x10^-3 m

objętość walca

V= Πr²l

V= 3,14 x 223,5x10^-6 x 109,7x10^-3 = 76,99x10^-6 m³

prędkość dźwięku

v= 2l / t

v= (2 x 109,7x10^-3) / (60x10^-6 ) = 3,65x10³ m/s

gęstość materiału

ς = m / V

ς = (503,5x10^-3) / (76,99x10^-6 ) = 6,54x10³ kg / m³

moduł Younga

E = v x ς

E = (3,65x10³)² x 6,54x10³ = 87,13x10⁹ kg / sm²

stała tłumienia

α = ln (x₁/x₂) / t

α = ln 5,7 / 60x10^-6 = 29x10³

dekrement

β = α x t

β = 29000 x 0,00006 = 1,74x10^-3

WALEC ALUMINIOWY I

średnia arytmetyczna z długości l = 91x10^-3 m

średnia arytmetyczna ze średnicy φ = 29,83x10^-3 m

objętość walca

V= Πr²l

V= 3,14 x 222,45x10^-6 x 91x10^-3 = 63,56x10^-6 m³

prędkość dźwięku

v= 2l / t

v= (2 x 91x10^-3) / (35x10^-6 ) = 5,2x10³ m/s

gęstość materiału

ς = m / V

ς = (180,3x10^-3) / (63,56x10^-6 ) = 6,54x10³ kg / m³

moduł Younga

E = v x ς

E = (5,2x10³)² x 28x10³ = 75,71 x 10⁹ kg / sm²

stała tłumienia

α = ln (x₁/x₂) / t

α = ln 1,6 / 35x10^-6 = 13,4x10³

dekrement

β = α x t

β = 13,4x10³ x 35x10^-6 = 469 x 10^-3

WALEC ALUMINIOWY II

średnia arytmetyczna z długości l = 127,33x10^-3 m

średnia arytmetyczna ze średnicy φ = 29,88x10^-3 m

objętość walca

V= Πr²l

V= 3,14 x 223,2x10^-6 x 127,33x10^-3 = 89,24x10^-6 m³

prędkość dźwięku

v= 2l / t

v= (2 x 127,33x10^-3) / (50x10^-6 ) = 5,09x10³ m/s

gęstość materiału

ς = m / V

ς = (254,11x10^-3) / (89,24x10^-6 ) = 2,85x10³ kg / m³

moduł Younga

E = v x ς

E = (5,09x10³)² x 2,85x10³ = 73,84 x 10⁹ kg / sm²

stała tłumienia

α = ln (x₁/x₂) / t

α = ln 1,4 / 50x10^-6 = 15,3x10³

dekrement

β = α x t

β = 15,3x10³ x 50x10^-6 = 765 x 10^-3

1

1

---