МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Тимофеев Александр Владимирович

ОТЧЕТ

о лабораторной работе

«Измерение скорости звука в воздухе методом бегущей волны»

Измерительный практикум, 1 курс, группа 0341

Преподаватель измерительного практикума

______________ О. А. Брагин

«___»_________ 2010 г.

Преподаватель компьютерного

практикума

______________ Н. А. Витюгова

«___»_________ 2010 г.

Новосибирск. 2010 г.

Аннотация. Объектом исследования является звуковая волна. Исследуется скорость звуковой волны в воздухе. При определении скорости звука используется метод бегущей волны. Звуковая волна исследуется на расстоянии от 5 до 30 см от источника звука. Удалость измерить длину звуковой волны и ее скорость в воздухе. Сделан анализ погрешностей.

Введение

Задачей является определение длины звуковой волны.

Цель работы определение скорости звука в воздухе методом бегущей волны.

Цель работы: определение скорости звука в воздухе методом бегущей волны, познакомиться с физическим описанием акустических явлений, провести измерения скорости звука в воздухе, определить погрешность измерения скорости звука.

По измеренному значению разности фаз в двух точках пространства можно определить скорость звука в среде, если известно расстояние между точками и частота звуковой волны, в этом и заключается метод бегущей волны.

1. Описание эксперимента

Пусть на входы X и У осциллографа подаются сигналы с источника и приемника звука соответственно. Сдвиг фаз (форма эллипса) будет зависеть от расстояния между источником и приемником звука. Перепишем условия вырождения эллипса в прямые через длину волны, используя соотношение :

;

.

Таким образом, можно сформулировать следующие условия вырождения эллипса в наклонные прямые:

1. если расстояние между источником и точкой наблюдения r кратно длине волны, то наклонная прямая располагается в первом и третьем квадрантах (имеет положительный угол наклона к оси Ох);

2. если это расстояние кратно нечетному числу полуволн, то прямая располагается во втором и четвертом квадрате (имеет отрицательный угол наклона). Иначе говоря, при монотонном изменении расстояния между источником и приемником звука эллипс последовательно через расстояния вырождается в прямые. Измерив, эти расстояния, можно определить скорость звука, если известна частота.

1. Методика измерений

С помощью осциллографа узнается разница фаз звуковой волны у источника и у приемника,

Рассматриваем только те расстояния, при которых эллипс вырождается в прямую. Зная расстояние между двумя соседними точками, мы можем определить длину волны и скорость звука.

Изменяется, расстояния r от источника до приемника в пределах от 5 до 30 см, и фиксируются все точки r_k при которых эллипс вырождается в прямую.

Расстояние измеряться с помощью линейки. Изображение эллипса показывается на осциллографе. На осциллографе не совсем стабильный сигнал, поэтому существует небольшая погрешность.

2. Описание установки

Схема установки для измерения скорости звука методом бегущей волны представлена на рисунке.

Рисунок 1. Установка для измерения скорости звука.

Источник звука 1 подключен к генератору звуковой частоты 4 и входу X -K1 (CH1) осциллографа 3. Рабочая частота генератора (около 40 кГц). Звуковая волна регистрируется приемником звука 2, напряжение, с которого подается на вход Y K2 (CH2) осциллографа. Устройство перемещения позволяет изменять расстояние L между приемником и источником в широком диапазоне.

Рисунок 2. Источник и приемник звуковой волны.

Источник и приемник звуковой волны одинаковы по конструкции параметрам. Они представляют собой цилиндрические пластинки 1 из сегнетоэлектрического материала с укрепленным на излучающей (приемной) поверхности небольшим диффузором 2. На торцевые поверхности пластинок нанесены серебряные электроды 3. Если к электродам подведено переменное напряжение, то в сегнетоэлектрике 1 возникают упругие механические колебания с частотой подведенного напряжения и с амплитудой, пропорциональной амплитуде напряжения. Эти механические колебания передаются на диффузор и создают в окружающем пространстве звуковые волны. И наоборот, если подобная пластина испытывает механические воздействия (в частности, воздействие волны звукового давления), то на ее обкладках возникает электрическое напряжение той же частоты с амплитудой, пропорциональной амплитуде звукового давления. Сегнетоэлектрические излучатели (приемники) обладают высокой чувствительностью в рабочей полосе частот, расположенной вблизи частоты механического резонанса пластины. В нашем случае резонансная частота равна примерно 40 кГц.

3. Результаты измерений

Даные получены при температуре 295 К и частоте 40,5 кГц. Растояния r_k от источника до приемника звука, при которых эллипс вырождается в прямую, приведены в таблице.

Таблица 1. Результаты измерений

k	rk	k	rk	k	rk	k	rk
1	52	16	116	31	180	46	244
2	57	17	121	32	185	47	249
3	61	18	125	33	189	48	253
4	65	19	130	34	193	49	257
5	70	20	134	35	197	50	261
6	74	21	138	36	202	51	266
7	78	22	142	37	206	52	270
8	82	23	146	38	210	53	274
9	87	24	151	39	215	54	278
10	91	25	155	40	219	55	283
11	95	26	159	41	223	56	287
12	100	27	163	42	227	57	291
13	104	28	168	43	232	58	296
14	108	29	172	44	236	59	300
15	112	30	176	45	240

2. Анализ результатов измерений

   1. Обработка результатов

Длина волны находиться по формуле

,

По формуле найдем скорость звука:

2. Оценка погрешностей

Погрешность будет рассчитываться по формуле .

3. Обсуждение полученных результатов

н совпадает с результатами полученными другими студентами.

На Главным результатом является скорость 346 ± 5м/с

Оскорость звука влияет температура среды, поэтому эти данные верны при комнатной температуре.

Для идеального газа

,

где и .

4. Выводы и заключение

В результате выполненной работы цель была достигнута. Скорость звуковой волны в воздухе вычислена. Она равняется 346 ± 5м/с.

Список литературы

1. Золкин А. С. Что надо знать при написании курсовой работы (Методические рекомендации для студентов)//Сиб. физ. журн. 1995. № 4. С. 65 – 71. http://www.nsu.ru/journals/phys_stud/russian/

2. Князев Б. А., Черкасский В. С. Начала обработки экспериментальных данных. Новосибирск: НГУ, 1993. 35 с.

3. Кунце Х.-И. Методы физических измерений. М.: Мир, 1989. 213 с.

4. Методы физических измерений (лабораторный практикум по физике)/Под ред. Р. И. Солоухина. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние,

5. Горелик Г. С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. М., 1959.

6. Измерительный практикум. Сборник лабораторных работ для студентов нефизических специальностей.

7. Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике. М: Наука. 1980.

Оглавление

Введение 2

1 Описание эксперимента 2

1.1 Методика измерений 2

1.2 Описание установки 2

1.3 Результаты измерений 3

2 Анализ результатов измерений 3

2.1 Обработка результатов 3

2.2 Оценка погрешностей 4

3 Обсуждение полученных результатов 4

4 Выводы и заключение 4

Список литературы 4

5