Контрольні запитання

1. Дайте означення поняття “хвиля”.

2. Які хвилі називають поздовжніми, а які поперечними?

3. Що називають фронтом хвилі та хвильовою поверхнею?

4. Дайте означення понять “фазова швидкість” та “групова швидкість”.

5. Що таке довжина хвилі?

6. Запишіть рівняння хвильового процесу.

7. Що таке звук? Від чого залежить швидкість звуку?

8. Дайте визначення поняттям “сила звуку” та ”гучність”.

9. Назвіть умови когерентності звукових хвиль.

10. Що називають “стоячою хвилею”?

Лабораторна робота №43 визначення швидкості звуку методом фігур ліссажу

МЕТА РОБОТИ:	освоїти метод визначення швидкості звуку за різницею фаз коливань.
ОБЛАДНАННЯ:	звуковий ґенератор, осцилограф, гучномовець, мікрофон, масштабна лінійка.

Теоретичні відомості

1. Звукові хвилі

Хвилею називають процес поширення коливань у просторі. Коливання, що збуджують хвилю, можуть бути різної форми та тривалості Відповідно до природи хвилі поділяють на пружні, поверхневі, електромагнетні тощо. Пружні хвилі називають звуком. Механізм поширення пружних хвиль полягає в тому, що коливання однієї частинки середовища спричинюють коливання сусідніх частинок, пружно пов’язаних із першою. Якщо середовище є газом чи рідиною, то в ньому можуть поширюватись лише коливання тиску – так звані поздовжні хвилі. У твердому середовищі можуть виникати два типи хвиль – поздовжні та поперечні. Останні пов’язані з деформаціями зсуву.

Найпростішими для вивчення є хвилі, що збуджуються гармонічними коливними процесами. Рівняння такої хвилі, що поширюється вздовж осі , має вигляд:

. (1)

Тут: – зміщення конкретної точки середовища в конкретний момент часу , – амплітуда коливань, – циклічна частота коливань, а – хвильове число. Нижче наведено зв’язки між частотою та циклічною частотою , а також між довжиною хвилі та її хвильовим числом :

. (2)

2. Залежність швидкості звуку від температури

На практиці значення швидкості поширення звуку в різних середовищах використовують при визначенні відстаней до предметів (сонар), вимірюванні температури горіння газів, при конструюванні резонаторів музичних приладів та інше. Фазова швидкість залежить від властивостей середовища. Для поздовжніх хвиль:

. (3)

Тут: – модуль пружності (модуль Юнга), а – густина речовини.

У газах можуть поширюватись лише поздовжні хвилі. Якщо коливання тиску незначні порівняно з його середнім значенням (слабкі збурення), то процес поширення хвилі можна вважати адіабатним. У такому випадку модуль Юнга пропорційний до тиску газу:

. (4)

Тут – показник адіабати. Для ідеального газу, відповідно до рівняння стану

, (5)

де: – молярна маса, – універсальна газова стала, – абсолютна температура, рівняння (3) отримає вигляд:

. (6)

Із (6) видно, що швидкість звуку залежить від роду газу та його температури. Якщо – швидкість звуку за нормальних умов =273,15 К, то при іншій температурі:

. (7)

Зазвичай стан повітря задовільно описується рівнянням (5), тому і формулу (6) також можна використовувати для моделювання швидкості звуку в ньому. Для повітря =29·10^-3 Дж/(моль·К).