Přímé měření rychlosti zvuku

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Přímé měření rychlosti zvuku"

Ondřej Beránek
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Veletrh nápadů učitelů fyziky VI Přímé měření rychlosti zvuku JOSEF HUBEŇAK Univerzita Hradec Králové Mobilní telefony znakem doby, podobně jako před nimi počítač, dříve televize, nebo kdysi parní stroj. Mobilní telefony jsou dnes všude a učiteli fyziky může odložený mobil poskytnout pár zajímavých součástek, s nimiž lze ve výuce zaujmout studenty. Dvě dosti velké součásti mobilu jsou elektretový mikrofon (bývají dva v jednom telefonu) a reproduktor - ten je většinou krystalový. Mikrofon má zajímavou konstrukci: č;pmebr""j' nitridoll'á membrán" Q5}lm \, nifridová spodní 'P1ocha l,1}lm tif!rnq.ý elei<tret O,9,um di,t"néní vlcika. 'Zfolorezi'tu SP'bdní kavitačni prostor, pole I óqd 60 otvorlí Obr. 1 Elektretový mikrofon Zvuk rozechvívá membránu z nitridu křemíku, nesoucí teflonový elektret. Změny napětí na výstupu samotného mikrofonu jsou malé, a proto se mikrofon vyrábí spolu se zesilovačem (obr. 2). Polem řízený tranzistor má hradlo G spojené s elektrodou pokrytou nábojem v teflonu a kolektor vyveden pro připojení vnějšího zdroje. Samotný elektretový mikrofon pracuje jako kondenzátor s konstantním nábojem a proměnnou kapacitou. Elektretový mikrofon má pak dva vývody, vyžaduje ovšem připojení na zdroj stejnosměrného napětí přes rezistor. Takto jsou zapojeny i mikrofony u počítačů, pokud jsou vybaveny zvukovou kartou. Citlivost je podle údajů v katalogu asi 5 až 6 mv.pa- I, 58

$Mikrofon má zajímavou konstrukci: č;pmebr""j' nitridoll'á membrán" Q5}lm \, nifridová spodní 'P1ocha l,1}lm tif!rnq.ý elei<tret O,9,um di,t"néní vlcika.$

2 Veletrh nápadů učitelů fyziky Vl mlkrifon R ""5 kg I~ ~ e!.,jqr.,t i u(j)~ ~,. I~ ~~_-----~=~-=~--~ Obr. 2 Zapojení mikrofonu Výroba teflonového elektretu je fyzikálně zajímavá - jde doslovně o nastřelováiú urychlených elektronů do teflonové fólie (obr. 3).,.k~ pulz... doj ~U\TZál'.,"... Obr. 3 Výroba elektretu Elektret je formován implantací elektronů do tenké vrstvy pomocí tyratronu se zadním osvětlením (Back-Lighted Thyratron). Funguje jako elektronové dělo a dává pulzní svazek elektronů o pnuuěm několika mm a s energií jednotek key. Zdroj UV záření uvohú z fotokatody elektrony, ty jsou urychleny elektrickým polem a směrovány na teflonovou fólii. Ionty helia neutralizují náboj elektronů, které nepronikly do teflonu. Byly získány vzorky elektretu s hustotou náboje od C.m- 2 až do c.m- 2. Za více než dva a půl roku nebyl pozorován úbytek náboje ve stabilizovaném elektretu při pokojové 59

3 Výroba elektretu Elektret je formován implantací elektronů do tenké vrstvy pomocí tyratronu se zadním osvětlením (Back-Lighted Thyratron).

3 Veletrh nápadů učitelů fyziky VI teplotě. Ovšem byl také úbytek 80 % náboje při teplotě 190 oe. Intenzita elektrického pole u povrchu fólie dosahuje 10 6 V.m-\ a to už je na hranici elektrické pevnosti vzduchu. Milivoltový signál je pro školní přístroje dost mal)' a proto je vhodné jej předem zesílit. K tomu stačí jednotranzistorový zesilovač stabilizovaný emitorovým odporem, zesilující asi 50krát. Takový signál již lze pohodlně využit k přímému měření rychlosti zvuku. mikrofon 1 w.ikrofon 2 měncípanel K měřeni Obr. 4 Sestava pro přímé měření rychlosti zvuku byl použit systém IP COACH a dva identické mikrofony, připqjené na dva kanály konzoly systému. Vzdálenost mezi mikrofony asi m stačí k tomu, aby signál druhého mikrofonu byl zaznamenán s měřitelným zpožděním. Záznam se spustí signálem prvního mikrofonu a stačí jen tlesknout před mikrofonem. Pak najdeme na záznamu dva body grafu, maxima (minima) tlaku zvukové vlny a odečteme zpoždění signálu (obr. 5), Rychlost zvuku, počítaná elementárně ze vzorce v:: /ll;iat, vychází s malým rozptylem hodnot Měření č. tl (ms) tz (ms) /ll; (m) At=trtl (ms) v (m.s- I ) 1 0,8750 4,9699 1,421 4, ,0 2 0,3850 4,4799 1,420 4, ,8 3 1,1550 5,2499 1,421 4, ,0 4 0,8750 4,9699 1,421 4, ,0 5 0,5949 4,5499 1,372 3, ,9 v = 346,94 60

K tomu stačí jednotranzistorový zesilovač stabilizovaný emitorovým odporem, zesilující asi 50krát. Takový signál již lze pohodlně využit k přímému měření rychlosti zvuku. mikrofon 1 w.

4 Veletrh nápadů učitelů fyziky Vl U(V) A tems) U (ll) B t(m.) Obr. 5 Záznam měření dvou signálů na monitoru Měření provedeno při teplotě t == 22 C, relativní vlhkosti cp == 55 % a atmosférickém tlaku Pa = 994 hpa. Krystalové reproduktory lze využít k ukázce interference zvuku. Výhodou reproduktoru jsou jejich malé rozměry výstupní otvor lze považovat za takřka bodový zdroj, i když použijeme vysoký kmitočet. Elektronkový tónový generátor nastavíme na amplitudu 10 V a frekvenci 6 khz. Dva pevně umístěné reproduktory jsou od sebe vzdáleny 13 cm a mikrofonem sondujeme tlakové pole (obr. 6). Mikrofon přemísťujeme rukou a maxima a mínima lze měřit střídavým milivoltmetrem ( digitálním multimetrem ). Záznam na počítači se systémem IPCOACH je přesvědčivým důkazem existence maxim a míním (obr. 7). 61

Krystalové reproduktory lze využít k ukázce interference zvuku. Výhodou reproduktoru jsou jejich malé rozměry výstupní otvor lze považovat za takřka bodový zdroj, i když použijeme vysoký kmitočet.

5 Veletrh nápadů učitelů fyziky Vl 1 I~m locm, :[0 -' Obr. 6 u(v) 5 4 X 3 :1 1 o 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3.5 trs) Obr. 7 Inteďerence zvuku dvou pevných zdrojú V bodě X leží maximum na ose spojnice obou reproduktoru, které kmitají se souhlasnou fází, byl zvolen kmitočet 6 khz.. Pokud jeden z reproduktoru přepólujeme, bude zde právě minimum. (Na vodorovné ose grafu je čas O až 4,5 sekund - doba přesunu mikrofonu.) Experiment lze upravit i jinak: lnikrofon ponecháme na místě a jeden z reproduktoru se bude vzdalovat nebo přibližovat (obr. 8). 62

zvolen kmitočet 6 khz.. Pokud jeden z reproduktoru přepólujeme, bude zde právě minimum.

6 Veletrh nápadů učitelů fyziky VI Obr. 8 u(v) o Obr. 9 Interference zvuku pohyblivého a pevně umístěného zdroje V záznamu jsou patrná nústa, kdy se signál obou reproduktoru navzájem zesiluje nebo zeslabuje (obr. 9). Tento experiment lze zaznamenat i sluchem: v celé učebně je slyšet kolísmú hlasitosti signálu a orientačně lze tady i určit vlnovou délku. Literatura [1] Hubeňák,J.,Podobský,J.: Přímé měření rychlosti zvuku MFI roč.lo, č.lo, [2] Wen H.Hsieh, Tze-Jung Yao and Yu-Chong Taž: Vysoce výkonný elektretový mikrofon s teflonovou folií. Katedra elektroinženýrství, Caltech Kalifornie, USA (dostupné na internetu). 63

9). Tento experiment lze zaznamenat i sluchem: v celé učebně je slyšet kolísmú hlasitosti signálu a orientačně lze tady i určit vlnovou délku.

Podobné dokumenty

Název: Tranzistorový zesilovač praktické zapojení, měření zesílení

Název: Tranzistorový zesilovač praktické zapojení, měření zesílení Autor: Mgr. Petr Majer Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět (mezipředmětové vztahy) : Fyzika Tematický celek: