LABORATORNÍ CVIČENÍ Z FYZIKY. Měření činitele zvukové pohltivosti materiálů v akustickém interferometru

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ ČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE KATEDRA FYZIKY LABORATORNÍ CVIČENÍ Z FYZIKY Jméno: Petr Česák Datum měření: Stuijní rok: , Ročník: Datum oezání: Stuijní skupina: 5 Laboratorní skupina: 4 Klasiikace: Číslo úlohy: 3 Náze úlohy: Měření činitele zukoé pohltiosti materiálů akustickém intererometru

2 Úkol měření:. Změřte činitele zukoé pohltiosti a (pro obě íčka) záislosti na kmitočtu, ýsleek yneste o grau.. Změřte rychlost šíření zuku a poronejte ji s ypočtenou honotou s uážením teploty zuchu místnosti. 3. Změřte průběh stojatého lnění akustickém intererometru zakončeném orazným íčkem, ýsleek yneste o grau. 4. rčete honotu neznámého kmitočtu. Obecná část: Akustické lastnosti látek patří o záklaní skupiny inormací, které potřebuje akustik k nárhu sálů, místností, ale také k projekci protihlukoých bariér či krytů strojů. K jejich kantiikaci se akustice nejběžněji použíají eličiny akustická impeance a činitel zukoé pohltiosti. Pro praktickou akustiku je nejhonější znalost ruhé jmenoané charakteristiky, stanoené pro šeobecný opa zukoých ln, která charakterizuje schopnost nějaké plochy pohlcoat zuk. Činitel zukoé pohltiosti a je einoán jako poměr zukoé energie pohlcoané zolenou plochou W pohl ku energii na tuto plochu opaající W op Plocha, která pohlcuje eškerý opaající zuk má α, zatímco plocha okonale W α W orážející má α0. P.E. Sabine zael statistický pohle na zukoé pole uzařeném prostoru. Ten ychází z přepoklau, že elikost zukoé energie liboolném boě prostoru je ána součtem střeních honot energií, které o uažoaného bou ospěly liem orazů o stěn. Dále se přepokláá, že hustota zukoé energie je e šech boech prostoru stejně elká. Poku ále přepoklááme, že yzařoání a pohlcoání zukoé energie se ěje plynule, pak ze zákona zachoání energie yplýá, že po nějaké obě po zapnutí zroje (resp. zrojů) zuku o konstantním ýkonu se ustaí e zukoém poli ronoáha. V tomto ustáleném stau je energie pohlcoaná stěnami neustále oplňoána zrojem zuku. Jestliže určitém okamžiku ypneme zroj zuku, bue liem pohltiosti stěn energie zukoých ln aném prostoru postupně ubýat, až bue zcela pohlcena. Zuk, který se šíří prostorem po ypnutí zroje, se nazýá ozuk. Doba, za kterou hustota energie klesne na 0-6 půoní honoty, se nazýá oba ozuku. Z ueeného yplýá, že oba ozuku záisí na pohltiosti stěn, která je charakterizoaná činitelem zukoé pohltiosti. Kyby byly stěny uzařeného prostoru okonale orazné (α0), byla by oba ozuku elmi louhá, neboť pokles zukoé energie by byl způsoben pouze isipací energie prostoru. Kyby šak stěny byly okonale pohltié (α), oba ozuku by se ronala nule. K měření činitele zukoé pohltiosti pro šeobecný opa zukoých ln je třeba náklaná ozukoá komora a měření samo je značně zlouhaé. Proto se pro některé materiály použíá aproximace měřením poli roinných ln (kolmý opa). K tomu účelu se sestrojují intererometry, e kterých lze přepokláat kolmý opa roinných ln na zorek materiálu. Meto měření akustické impeance nebo činitele zukoé pohltiosti je íce, technicky nejjenoušší je metoa založená na analýze pohl. op. Petr Česák

3 stojatého lnění. Vlnoá ronice popisující zukoé pole unitř louhé trubice s tuhými stěnami má jenouchý tar za přepoklau, že lnoá élka zuku je značně ětší než příčný rozměr trubice ( přípaě kruhoého průřezu se uáí hranice >,7, ke je průměr trubice). Kažá akustická eličina (tlak, hustota a rychlost) má pak kažém čase t stejnou honotu na liboolné ploše kolmé k ose trubice, bez ohleu na sou časoou záislost. Vlnoá ronice popisující toto zukoé pole se tey omezí na jenorozměrný tar. Konkretizujme nyní přestau o trubici, e které se nachází námi popisoané pole. Zrojem ln postupujících klaném směru osy x je reprouktor, který je umístěn na jenom konci trubice. Vlny postupující opačném směru se mohou objeit trubici z íce ůoů, ale našem přípaě jsou to lny oražené na ruhém konci trubice, tj. na zorku ytořeném ze stuoaného materiálu. O amplituách A a B lze tey přepokláat A>B. Extrémní přípa, ky se elikosti amplitu ln postupujících oběma směry ronají, se nazýá úplné stojaté lnění. Pro akustický tlak p potom obržíme ztah: p(x,t) A cos(kx)e ikct ze kterého je patrné, že amplitua se mění poél osy x nezáisle na čase. Tento ieální sta lze moeloat napříkla okonale tuhým zakončením (íčkem) trubice. Metoa měření: Množstí energie, které je přenášeno postupnou lnou, je charakterizoáno intenzitou zuku. Činitel a lze tuíž yjářit také pomocí poměru intenzit oraženého I or a I op opaajícího zuku: I α I Poměr těchto intenzit je roen poměru čterců eektiních honot akustického tlaku a pro sinusoý zuk imálních tlaků obou zukoých ln. Z ýše oozených ztahů ále yplýá α Ke A a B jsou amplituy lnění. Po alších mat. úpraách lze ospět k praktickému ztahu ke p je imální a p imální amplitua tlaku. or op B A α p p 4 p p Jelikož je akustický tlak přímo úměrný napětí, které získááme z mikroonu umístěném unitř intererometru lze místo poměrů akustických tlaků o ztahu iz. Výše osait poměry im a im napětí měřených na mikroonu. Petr Česák

4 Postup měření:. Do olného konce intererometru upeníme íčko s pohltiým zorkem.. Nastaujeme kmitočet rozmezí Hz. Pohybujeme mikroonem a oečítáme honoty imání a imální amplituy, ze kterých určíme činitel zukoé pohltiosti. V rozmezí rekencí Hz olíme krok 00 Hz, rozmezí rekencí Hz olíme krok 00 Hz. 3. Na konec intererometru upeníme íčko bez zorku a opakujeme. 4. Pro rekenci 000 Hz změříme polohy alespoň tří souseních im. Ze zálenosti souseních im určíme rychlost šíření zuku a poronáme tuto honotu s honotou ypočtenou pole ztahu c 338, 06ϑ. 5. Nastaíme kmitočet 000 Hz a proměříme záislost amplituy akustického tlaku záislosti na zálenosti o íčka. Krok zolíme,5 cm. Při měření na ručkoém přístroji olíme na oltmetru takoý rozsah, aby místě. amplituy byla plná ýchylka. 6. Nastaíme na generátoru neznámý kmitočet n a změříme polohy tří souseních im. Ze zálenosti souseních im a rychlosti zuku určené pole bou 4 stanoíme honotu kmitočtu n. Seznam použitých přístrojů a pomůcek: Akustický intererometr ( l ±0,005m), Sinusoý generátor HRACH (ohaem ±0Hz), Magnetoelektrický oltmetr (Tp,5 M,5; 5; 50mV). Tabulky naměřených honot a zpracoaných ýsleků: Pohltiý materiál Víčko [Hz] α [-] [mv] [mv] [mv] [mv] [mv] [mv] [mv] [mv] α [ ] 300 3,5 5 0,45,5 4,5,5 5 0, ,5 0,5 0 0, , ,49 4, , ,5 0,75 4 0, ,5 53 0,6 6, , , , 7, , ,5 53,5 53 0, ,5 50 0, , ,5 4 0,94 00,5 5 3,5 5 0,33 3,5 6 3,5 6 0,9 400, ,54 4,5 0,5 4,5 0 0, ,6 4 3,5 4,5 4 0, ,5 4 3,5 0, ,5 7 0,5 000,5 4 0,4,5 5 4,5 6 0,48 Petr Česák

5 Příkla ýpočtu: 53 mv 3,5 mv 53 mv,5 mv 300 Hz α ,5,5 53 0,3 Výpočet rychlosti šíření: 000 Hz 8,3 cm 5,7 cm 3 4,8 cm poznámka: symbol -3 jsou polohy imálních honot měřených napětí, jenž jsou úměrné akustickému tlaku. - 5,7 8,3 7,4 cm 3-4,8 5,7 7, cm ë ( ) 000 0, m s ϑ Ä Ä Ä ohaem : Ä 0,005 m Ä ± 0 Hz ϑ 4 Ä ( ) Ä ,005 0,345 0,4 m s ( 345 ± ) m s Petr Česák

6 Petr Česák t 0,7 o C t 33,8 0,60,7344,4 ms - Výpočet neznámé rekence: nastaená honota:? 3, cm 7,3 cm 3 3,4 cm - 7,3 3, 4, cm 3-3,4 7,3 4, cm ( ) ( ) ( )Hz 6 3 Hz 6, 0, ,4 0,8 m 0,005 Δ s,4 m Δ Δ 4 Δ Δ Δ Δ Hz 3,4 0,4 0,4 345 λ - ± ± ± ϑ ϑ ϑ

7 Průběh stojatého lnění: l [cm] 0,5 3 4,5 6 7,5 9 0,5 3,5 5 6,5 [mv] l [cm] 8 9,5,5 4 5,5 7 8,5 30 3, ,5 [mv] l [cm] 36 37, ,5 4 43, , ,5 5 5,5 [mv] l [cm] 54 55, ,5 60 6, , , ,5 [mv] l [cm] 7 73, , ,5 8 8, , ,5 [mv] l [cm] 90 [mv] 37 Kontrolní otázky:. Co je to stojaté lnění a ky zniká? Stojaté lnění zniká intererencí ou stejných lnění šířících se proti sobě. stojatého lnění znikají boy s nuloou amplituou (uzly) a s imální amplituou (kmity).. Sronejte ýznam akustické rychlosti u a rychlosti šíření zuku c. Jak se liší atmosérický tlak p o o akustického tlaku p? Akustická rychlost u je rychlost pohybu částic yolaná zukoou lnou, zatímco rychlost šíření zuku c je rychlost zukoé lny. Akustický tlak je yolán zukoou lnou a je časoě proměnný. Atmosérický tlak je tlak zuchu, který je stálý. 3. Co je oba ozuku a jak souisí s koeicientem zukoé pohltiosti α? Je to oba, ze kterou hustota zukoé energie klesne na 0-6 půoní honoty. Je nepřímo úměrná pohltiosti stěn, která je charakterizoána činitelem zukoé pohltiosti. Záěr: Rychlost šíření zuku stanoená ze zálenosti 3 im pro teplotu 0,7 o C je (345 ± ) ms - a liší se o honoty 344,4 ms - tj. rychlosti stanoené pro tutéž teplotu pole přibližného ztahu rámci tolerance ypočtené chyby. Z průběhu grau stojatého lnění jsou patrná ima a ima akustického tlaku. Neznámá rekence určená pro honotu? na generátoru byla určena jako (3 ± 6)Hz. Činitel zukoé pohltiosti na rekenci pro orazné íčko kolísá s rostoucí rekencí. Petr Česák

8 Seznam prostuoané literatury: [] Benařík, Koníček, Jiříček: FYZIKA I A II Fyzikální praktikum. Praha, skriptum FEL ČVT 999 [] Kolmer, F., Kyncl, J.: Prostoroá akustika. SNTL 98 [3] Kubeš, P., Kyncl, Z.: Fyzika I. Praha, skriptum FEL ČVT 99 Petr Česák

9 Gra záislosti činitele zukoé pohltiosti na rekenci pro pohltiý materiál a orazné íčko,0 0,9 0,8 0,7 0,6 αg() α [ ] 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0, [Hz] Pohltiý materiál Orazné íčko

10 Průběh stojatého lnění akustickém intererometru zakončeném orazným íčkem 60 (l) [mv] l [cm]