Akustická měření - měření rychlosti zvuku



Podobné dokumenty
Klasické a inovované měření rychlosti zvuku

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Název: Měření rychlosti zvuku různými metodami

( ) Úloha č. 9. Měření rychlosti zvuku a Poissonovy konstanty

Fyzikální praktikum 1

Základní experimenty akustiky

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. x m. Ne čas!

7. Měření rychlosti zvuku ze zpoždění signálu v akustické trubici

1 Pracovní úkoly. 2 Vypracování. Úloha #9 Akustika.

ZVUKY KMITAJÍCÍCH TYČÍ

Akustika. Rychlost zvukové vlny v v prostředí s hustotou ρ a modulem objemové pružnosti K

Daniel Tokar

MĚŘENÍ RYCHLOSTI ŠÍŘENÍ ZVUKU V PLYNECH

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

Měření logaritmického dekrementu kmitů v U-trubici

Vlny v trubici VUT FSI v Brně

Izolaní materiály. Šastník Stanislav. 4. týden

Mechanicke kmita nı a vlneˇnı

6. Střídavý proud Sinusových průběh

4. Měření rychlosti zvuku ve vzduchu. A) Kalibrace tónového generátoru

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 10 Název: Rychlost šíření zvuku. Pracoval: Jakub Michálek

Měření hladiny intenzity a spektrálního složení hluku hlukoměrem

13. Vlnová optika I. Interference a ohyb světla

Interference vlnění

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA

6. Měření veličin v mechanice tuhých a poddajných látek

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 9: Základní experimenty akustiky. Abstrakt

Spolupracovník/ci: Téma: Měření setrvačné hmotnosti Úkoly:

Tenkovrstvé piezoelektrické senzory

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze. Úloha č. 9 : Akustika

PROTIHLUKOVÁ STĚNA Z DŘEVOCEMENTOVÝCH ABSORBČNÍCH DESEK

Zvuk a jeho vlastnosti

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Měření Poissonovy konstanty vzduchu. Abstrakt

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P05 MECHANICKÉ VLNĚNÍ

ČÁST VI - K M I T Y A V L N Y

SYMETRICKÉ ČTYŘPÓLY JAKO FILTRY

Základní experimenty akustiky

12/40 Zdroj kmitů budí počátek bodové řady podle vztahu u(o, t) = m. 14/40 Harmonické vlnění o frekvenci 500 Hz a amplitudě výchylky 0,25 mm

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

9. MĚŘENÍ SÍLY TENZOMETRICKÝM MŮSTKEM

Jednotlivé body pouze kmitají kolem rovnovážných poloh. Tato poloha zůstává stálá.

Netlumené kmitání tělesa zavěšeného na pružině

Experimentální analýza hluku

Vlnění. vlnění kmitavý pohyb částic se šíří prostředím. přenos energie bez přenosu látky. druhy vlnění: 1. a. mechanické vlnění (v hmotném prostředí)

SNIŽOVÁNÍ HLUKU POČÍTAČŮ OBKLÁDÁNÍM STĚN ZVUKOIZOLAČNÍMI MATERIÁLY A REGULACÍ OTÁČEK VENTILÁTORŮ

Jak znázornit 2D kmity a Lissajousovy obrazce pomocí 3D projekce

LABORATORNÍ CVIČENÍ Z FYZIKY. Měření rychlosti šíření zvukových vln v kapalině

Inovace výuky prostřednictvím šablon pro SŠ

ÚPRAVA KMITOČTOVÝCH VLASTNOSTÍ BEZODRAZOVÉ KOMORY MALÝCH ROZMĚRŮ PRO MĚŘENÍ ELEKTROAKUSTICKÝCH MĚNIČŮ

Měření vlnové délky spektrálních čar rtuťové výbojky pomocí optické mřížky

Měření indexu lomu kapaliny pomocí CD disku

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P04 MECHANICKÉ KMITÁNÍ

ELEKTROAKUSTICKÁ ZAŘÍZENÍ výběr z učebních textů

OPTIKA Světelné jevy TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Záznam a reprodukce zvuku

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

Snímače průtoku kapalin - objemové

Časopis pro pěstování matematiky a fysiky

ANALÝZA ŠÍŘENÍ VIBRACÍ SPOJENÝM STRUKTURÁLNĚ AKUSTICKÝM PROSTOREM VIBRATION PROPAGATION ANALYSIS OF COUPLED STRUCTURE ACOUSTIC SPACE

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Fotoelektrický jev a Planckova konstanta

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

3 Měření hlukových emisí elektrických strojů

PSK1-20. Antény. Elementární dipól. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka Druhy antén a jejich vlastnosti

Regulace frekvence a napětí

Pracovní třídy zesilovačů

Charakteristika ultrazvuku a jeho využití v praxi

Úloha č.: XVII Název: Zeemanův jev Vypracoval: Michal Bareš dne Posuzoval:... dne... výsledek klasifikace...

Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol CZ.1.07/1.5.00/

Podívejte se na časový průběh harmonického napětí

Skládání kmitů

Vedení tepla v MKP. Konstantní tepelné toky. Analogické úlohám statiky v mechanice kontinua

Zvuk. 1. základní kmitání. 2. šíření zvuku

Rychlostní a objemové snímače průtoku tekutin

Úloha č. 8 Vlastnosti optických vláken a optické senzory

Studium kladného sloupce doutnavého výboje pomocí elektrostatických sond: jednoduchá sonda

PSK1-10. Komunikace pomocí optických vláken I. Úvodem... SiO 2. Název školy:

1. Měření hodnoty Youngova modulu pružnosti ocelového drátu v tahu a kovové tyče v ohybu

4. Pokusy z vlnové optiky

Historické pokusy s elektromagnetickou vlnou a dnešní technické možnosti

Obecné základy. a) farad b) ohm.m c) ohm. m d) henry

[ db ; - ] Obrázek č. 1: FPCH obecného zesilovače

Měření momentu setrvačnosti

Akustické vlnění

MĚŘENÍ NAPĚTÍ A PROUDŮ VE STEJNOSMĚRNÝCH OBVODECH.

Název: Chování cívky v obvodu, vlastní indukce, indukčnost

VÝUKOVÝ MATERIÁL. Pro vzdělanější Šluknovsko. 32 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Bc. David Pietschmann.

plynu, Měření Poissonovy konstanty vzduchu

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 2

Analýza dynamických vlastností rezonančních desek

Osnova: 1. Klopné obvody 2. Univerzálníobvod Oscilátory

Rotující kotouče Drahomír Rychecký Drahomír Rychecký Rotující kotouče

Měření vlastností optických vláken a WDM přenos

Zobrazování ultrazvukem

Jestliže rozkmitáme nějakou částici pevného, kapalného anebo plynného prostředí, tak síly pružnosti přenesou tento kmitavý pohyb na částici sousední

Stanovení kritických otáček vačkového hřídele Frotoru

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 10. Měření hluku

Transkript:

Akustická měření - měření rychlosti zvuku Úkol : 1. Pomocí přizpůsobené Kundtovy trubice určete platnost vztahu λ = v / f. 2. Určete rychlost zvuku ve vzduchu pomocí Kundtovy a Quinckeho trubice. Pomůcky : - Tónový generátor - Reproduktor - Skleněná trubice - Délkové měřidlo s přesností na mm - Korková drť - Kundtova trubice - Elektroakustický snímač (mikrofon) - Zesilovač - Osciloskop - Vodiče - Quinckeho trubice - Transformátor baterie 4,5V Teorie : V akustice vyšetřujeme šíření mechanických vln plynného, kapalného nebo pevného prostředí. V plynech a kapalinách jde vždy o šíření podélné vlny, která způsobuje periodické zhuštění a zředění prostředí. Pro výchylku s částic prostředí, kterým se šíří rovinná vlna ve směru osy x 1 / 10

platí rovnice: v níž S je amplituda kmitů částic, ω kruhová frekvence kmitů, t čas a v rychlost šíření vlny. Pro rychlost u kmitajících částic prostředí (akustickou rychlost) plyne z rovnice (3.1) vztah: Pro časovou a prostorovou závislost proměnného tlaku p (akustického tlaku) v uvedené akustické vlně lze odvodit výraz: v němž ρ je hustota prostředí, kterým se vlna šíří. Proměnným tlakem p rozumíme tlak, který se překládá přes původní tlak po, šíří-li se prostředím vlna. Celkový tlak pc v prostředí, jímž se šíří vlna, je tedy po = pc + p. Z uvedených rovnic je zřejmé, že hlavní charakteristikou vlny je rychlost šíření v, frekvence (kmitočet) f = ω / 2 π a amplituda S. Kromě toho je třeba uvést ještě dvě charakteristiky vlnění, jež s uvedenými úzce souvisí, a to intenzitu vlnění I a délku vlny λ. Intenzita vlnění, které v případě akustických vln říkáme intenzita zvuku, je dána vztahem: Délka vlny λ souvisí s frekvencí f a rychlostí šíření vlny v známým vztahem: 2 / 10

Rychlost šíření zvukových vln závisí na látkových konstantách a tvaru prostředí, kterým se vlna šíří. V pevných látkách závisí také na tom, šíří-li se vlnění podélné nebo příčné. Pro rychlost šíření zvuku v plynech a kapalinách ve volném prostoru platí rovnice: kde K je modul objemové pružnosti a ρ je hustota. Stlačování a rozpínání plynu je děj velmi rychlý, při kterém nedochází k výměně tepla s okolím, a můžeme jej proto považovat za děj adiabatický. Pro ideální plyn potom můžeme ze vztahu (3.6) odvodit vztah: ve kterém χ je Poissonova konstanta, p je tlak plynu, R plynová konstanta, T je teplota ve stupních Kelvina a m molární hmotnost plynu. Vztahy pro rychlost zvuku v pevných látkách jsou obecně poměrně složité. Pro potřebu měření uvádíme pouze výraz pro rychlost šíření podélných zvukových vln v pružné tenké tyči : Kde E je modul pružnosti v tahu (Youngův modul) a r je hustota tyče. Rychlost zvuku můžeme měřit přímo tak, že měříme dobu, za kterou zvukový pulz urazí jistou známou vzdálenost. V praxi běžnější a experimentálně jednodušší je určování rychlosti zvuku změřením jeho frekvence a vlnové délky a výpočtem podle (3.5). Rychlost zvuku ve vzduchu závisí na teplotě podle přibližného vztahu: c = c o (1 + 0,002 t) kde c o = 331,6 ms -1 je rychlost zvuku ve vzduchu při t = 0 C a t je teplota vzduchu v C. 3 / 10

Kundtova trubice Polohu uzlů a kmiten stojatých vln vzniklých v skleněné trubici naplněné zkoumaným plynem je možné zviditelnit pomocí lehkého sypkého prášku, např. korkové drti. Délku zvukové vlny lze potom přímo měřit na vzniklých obrazcích tvořených práškem. To je princip Kundtovy trubice, viz obrázek. Obrázek - Přizpůsobená Kuntova trubice Trubice je na jednom konci uzavřena, na druhém je zdroj zvuku Z. Zdrojem zvuku může být reproduktor nebo tyč upevněná uprostřed své délky a na konci, který je uvnitř trubice, opatřená lehkým korkovým pístem. Při měření tyč podélně rozkmitáme. Změnou frekvence reproduktoru připojeného k tónovému generátoru nebo posunem trubice vůči tyči nastavíme podmínky vhodné pro vznik stojatých vln. Po dosažení těchto podmínek vytvoří prášek umístěný v trubici obrazec. Ve stojaté vlně je kmitna akustického tlaku posunuta o čtvrtinu délky vlny proti kmitně rychlosti, čili v místě kmiten rychlosti jsou uzly tlaků a naopak. Prášek nasypaný v trubici je působením zvukové vlny rozmetáván v místech kmiten rychlosti a zůstává v klidu v uzlech rychlosti. Vzdálenosti nejbližších uzlů, tj. vzdálenosti mezi dvěma sousedními místy, v nichž prášek nebyl rozmetán, jsou rovny polovině vlnové délky zvuku. 4 / 10

Přizpůsobená Kundtova trubice Měření provádíme pomocí zařízení, které je znázorněno na obrázku. Obrázek - Kundtova trubice Elektrický signál o frekvenci f z tónového generátoru je přiváděn na reproduktor a zároveň na x-výchylku osciloskopu. Z reproduktoru umístěného ve skleněné trubici se šíří zvuková vlna rovněž o frekvenci f k mikrofonu. Mikrofon tuto zvukovou vlnu převádí na napětí, které přivádíme na y-výchylku osciloskopu. Výsledkem složení těchto dvou signálů jsou Lissajouseovy obrazce, v našem případě se jedná o elipsy nebo úsečky, protože se jedná o signály se stejnou frekvencí. Protože zvuk musí urazit vzdálenost d mezi reproduktorem a mikrofonem, je signál přicházející na y-výchylku osciloskopu fázově opožděn o j za signálem přicházejícím na xvýchylku. Změnou vzdálenosti reproduktor mikrofon (jejich vzájemným posuvem) dochází ke změně doby, za 5 / 10

kterou překoná zvuk tuto vzdálenost, což se projeví změnou fázového posunu obou signálů j a tedy i tvaru výsledného Lissajousova obrazce. Z teorie vyplývá, že Lisajoussovy obrazce mohou mít v závislosti na fázovém posunu tvary podle následujícího obrázku. Obrázek - Lisajousovy obrazce Quinckeho trubice K měření lze užít např. Quinckeho trubici, která je nejjednodušším interferometrem. Aby vznikla interference, musíme do jednoho místa dovést fázově posunuté koherentní vlny. V Quinckeho trubici zvuk rozdělíme v místě A do dvou zvukovodů, první je proměnné a druhý pevné délky. Subjektivně nebo elektroakustickým snímačem sledujeme výsledek interference obou vlnění v části B. Hledáme rozdíly délek obou zvukovodů pro maxima intenzity zvuku. Rozdíl délky proměnného zvukovodu při dvou po sobě následujících maximech a minimech je roven vlnové délce zvuku. Při měření zpravidla určujeme minima intenzity zvuku, protože jejich určení je přesnější než u maxim. Měření je vhodné pro zvuky vyšších kmitočtů. Pro nízké kmitočty by zařízení muselo mít velké rozměry. 6 / 10

Obrázek Popis a zvukovou Přizpůsobená Lissajousových =(2k+1)p. fázovém délky zaznamenáváme postupně mikrofonu dvěma Quinckeho osciloskopu. Prokluzováním Kundtova Vzdálenost hledáme měření l/2. postupu stejnými posuvu - objeví vlnu, Quinckeho mezi takovou by trubice jsou měření Změříme mezi nebylo Kundtova kterou dvěma obrazců, jednoho měření úsečkami elipsy důležité jeho sousedními rovna frekvenci, posouváme trubice vhodné tak polohu a opačnými : ze následně tj. polohy vlnové vzdálenost trubice je kdy zvukovodů rovno regulovat při l, polohami oba když měříme. mikrofon reproduktoru délce níž úsečkami úsečka, vlnové signály minima l. menšíme zřetelně zasouvání na mikrofonu Při délce která osciloskopu je jsou opačném výchozí jak rovno a pístu, l. objeví ve však měníme pístu při uvedeno stejné polovině polohy, fázovém prochází Lissajousových při v objeví do korkové nichž kmitny fázi trubice, v vlnové kdy úsečka, j v posunu jinými nastanou = teoretickém a drti je 2kp uzle proto těsně délky uzle kvadranty. obrazcích nebo po je zobrazované krajní zvolíme to a dalším u l/2, kmitny, mají reproduktoru polovina rozboru. posunutí případy o Posunutí fázi určitou stejném znázorňující opačnou vlnové namezi polohu se a j Tabulka : Kundtova trubice Číslo měření] f [Hz] l [cm] d [cm] λ [m] v [m.s -1 ] 7 / 10

Quinckeho trubice Číslo měření] f [Hz] poloha minima [mm] poloha minima [mm] λ [m] v [m.s -1 ] Přizpůsobená Kundtova trubice fázový rozdíl 8 / 10

0 π 2π 3π 4π λ [cm] v [m.s -1 ] f [Hz] / poloha l 0 [cm] l 0 [cm] l 0 [cm] 9 / 10

l 0 [cm] l 0 [cm] Teoretický rozbor převzatý z knihy STACH, V., TESAŘ, J.: Fyzikální praktikum III (Optika). PF JU České Budějovice, 1992. 10 / 10