Laboratorium fizyki CMF PŁ

dzień 13.03.2014 godzina 8.15-10.15 grupa 1

wydział BiNoŻ kierunek TŻiŻC

semestr II rok akademicki 2013/2013

M6a Badanie widma akustycznego naturalnych źródeł dźwięku.

kod ćwiczenia tytuł ćwiczenia

ocena _____

Wstęp

Doświadczenie opiera się na zbadaniu widma dźwięku wydanego przez różne źródła, a także analizy zmian widma zachodzących przy zmianie warunków wzbudzenia źródła dźwięku.

Fale stojące - mogą powstawać w obszarach ograniczonych. Wtedy fala biegnąca w jednym kierunku nakłada się na falę odbitą od granicy obszaru i biegnącą w kierunku przeciwnym. W wyniku interferencji takich fal powstaje fala stojąca. Różne cząsteczki ośrodka, w którym obecna jest fala stojąca wykonują drgania o różnych amplitudach, ale o tej samej częstości.

Falę stojącą charakteryzują następujące pojęcia:

• węzeł fali stojącej to miejsce, w którym cząsteczka ośrodka nie wykonuje drgań

• strzałka fali stojącej to miejsce, w którym cząsteczka ośrodka wykonuje drgania z maksymalną amplitudą.

Fale akustyczne - cząsteczki działając siłami molekularnymi, pobudzają do drgań kolejne cząsteczki gazu. W gazie otaczającym drgający obiekt powstaje i rozchodzi się zaburzenie polegające na tworzeniu się okresowych zagęszczeń i rozszerzeń gazu. Fala akustyczna jest fala podłużona.

Oznacza to, że kierunki drgań cząsteczek gazu i kierunek rozchodzenia sie fali w gazie pokrywają się. Natomiast częstotliwość rozchodzącej sie w gazie fali akustycznej równa jest częstotliwości drgań źródła.

Fale harmoniczne - to fala przenoszona przez cząsteczki ośrodka, które wykonują drgania harmoniczne.

Dźwięk - częstotliwości i amplitudy poszczególnych drgań źródła, zależą od cech źródła: jego wielkości, kształtu, rodzaju materiału z jakiego jest wykonane, sposobu zamocowania, a także od sposobu pobudzania go do drgań. Każdy przedmiot wykonujący złożone drgania może być źródłem wielu jednocześnie rozchodzących się fal o różnych częstotliwościach i natężeniach. Każdy słyszalny dźwięk można scharakteryzować podając jego cechy:

• Głośność

• Wysokość

• Barwa

Przebieg ćwiczenia

Doświadczenie prowadzone jest na gitarze elektrycznej podłączonej do rejestratora dźwięku (komputer stacjonarny). Rejestrowanie odbywa się za pomocą programu Spectogram. Rejestrowany jest przebieg widma dźwięku wydawanego przy potrącaniu połowy i 1/3, 1/4, 1/5 struny E i h gitary elektrycznej. Potrącanie strun w kolejności: 1/2 E, 1/2 h, 1/3 struny E, 1/3 struny h, 1/4 E, 1/4 struny h i 1/5 strony E i 1/5 struny h. Odczytanie danych z wcześniej przygotowanej tabeli i wyliczenie prędkości dla poszczególnych częstotliwości. Następnie obliczenie współczynnika a, błędu względnego metodą najmniejszych kwadratów przy pomocy programu Logger Pro.

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}$ grubej struny E
Pomiary
1
2
3
4
Długość struny [m] 0,325

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{3}}\mathbf{\ }$grubej struny E
Pomiary
1
2
3
4
5
Długość struny [m] 0,215

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{4}}$ grubej struny E
Pomiary
1
2
3
4
5
Długość struny [m] 0,163

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{5}}$ grubej struny E
Pomiary
1
2
3
4
5
Długość struny [m] 0,13

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}$ cienkiej struny h
Pomiary
1
2
3
4
5
Długość struny [m] 0,325

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{3}}$ cienkiej struny h
Pomiary
1
2
3
4
5
Długość struny [m] 0,215

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{4}}$ cienkiej struny h
Pomiary
1
2
3
4
5
Długość struny [m] 0,163

$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{5}}$ cienkiej struny h
Pomiary
1
2
3
4
5
Długość struny [m] 0,13

Prędkość rozchodzenia się fali w strunie cienkiej h.
Próg
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21

$${\mathbf{a = 162,1}\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{s}^{\mathbf{2}}}\backslash n}\mathbf{a = \pm 1,5}{\mathbf{V = 2 \bullet a}\mathbf{\backslash n}}{\mathbf{V = 324,2}\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{s}}\mathbf{\backslash n}}{\mathbf{V = 2 \bullet a}\mathbf{\backslash n}}{\mathbf{V = \pm 3,0}\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{s}}\mathbf{\backslash n}}$$

Wnioski:

Poprzez otrzymanie widm w ćwiczeniu, można zauważyć, że częstotliwości kolejnych tonów w widmach akustycznych gitary elektrycznej są wielokrotnością częstotliwości tonu pierwotnego, dźwięki te są więc wielotonami harmonicznymi.

Poszczególne widma dźwięku otrzymywane przy potrącaniu kolejnych strun gitary na różnych długościach różnią się, lecz w każdym przypadku można wysunąć te same wnioski:

1. wraz z skrócaniem struny ton podstawowy zwiększa się, częstotliwość zwiększa się w kierunku wyższych tonów. Częstotliwość jest więc wprost proporcjonalna do spadku długości struny.

2. ton podstawowy ma największą amplitudę, a co za tym ma największą głośność (słyszalną dla ludzkiego ucha).

3. prędkość drgań struny niezależnie od zmian długości struny, a co za tym idzie zmian częstotliwości, jest stała.

4. podczas pomiaru na cienkiej strunie h na długości ½ tej struny (0,325m) zostały wytłumione fale druga i czwarta harmoniczna, ponieważ wartość natężenia przekraczała -60 dB.