Експериментальна установка

Д ля вивчення хвильових процесів складається установка, яка показана на рис. 4.11.

Рис. 4.11

Стандартний генератор Г3 – 33 є джерелом синусоїдальної напруги, частота якої може змінюватись в діапазоні . З виходу генератора напруга подається на динамік. Мембрана динаміка почне коливатися з частотою, яку задає генератор і, таким чином, створюється плоска біжуча звукова хвиля певної частоти. Хвиля поширюється в замкнуте середовище – металеву трубу. В середині труби знаходиться поршень, який можна переміщувати, змінюючи відстань між мембраною і поршнем. Після відбиття від поршня в замкнутому стовпі повітря в трубі будуть поширюватися дві когерентні зустрічні хвилі, тобто створюються умови для виникнення стоячої хвилі.

Слід розуміти, що стояча хвиля утворюється не при довільному положенні поршня, а тільки при певних його положеннях. Безумовно, це залежить від частоти коливань, тобто від довжини біжучої хвилі. Вузол стоячої хвилі повинен знаходитись біля поршня ( у цьому місті частинки повітря не коливаються ), а пучність біля мембрани, де амплітуда коливань максимальна Це означає, що для виникнення стоячої хвилі, довжина стовпа повітря між мембраною та поршнем повинна бути узгоджена з довжиною біжучої хвилі.

Переміщенням поршня можна підібрати необхідну довжину стовпа повітря в трубі, при якій утворюється стояча хвиля. В момент виникнення стоячої хвилі відчувається різке підсилення гучності звучання, тому що амплітуда стоячої хвилі вдвічі більша за амплітуду біжучої хвилі.

Н а рис. 4.12 схематично показано утворення стоячої хвилі у просторі між мембраною і поршнем. Показані послідовні положення поршня, коли виникає стояча хвиля та спостерігається резонансне підсилення звуку.

Рис. 4.12

Довжина стовпа повітря при появі першого резонансного підсилення звуку , другого , третього ,…, m –го .

Якщо довжина хвилі , що поширюється у трубі не відома, то можна знайти її наступним чином. Переміщуючи поршень праворуч від мембрани, знаходимо послідовно відстані , , ,…, , при яких виникає зростання гучності. Тоді довжина біжучої хвилі може бути обчислена за результатами вимірювання:

, або ,…, тобто за формулою .

Для більшої точності у формулу вводиться поправка, що враховує величину внутрішнього діаметра труби :

Завдання роботи

Визначити довжину біжучої хвилі у повітрі в замкнутому середовищі. Визначити швидкість біжучої хвилі. Визначити теоретичне значення швидкості біжучої хвилі у повітрі.

Виконання роботи

Прилади і матеріали: 1. Звуковий генератор ГЗ - 33. 2. Металева труба з поршнем і динаміком. 3. Масштабна лінійка. 4. Штангенциркуль. 5. Термометр.

Визначення довжини біжучої хвилі у повітрі в замкнутому середовищі

1. Зібрати експериментальну установку (рис. 4.13).

2. Увімкнути в електричну мережу звуковий генератор ГЗ- 33 і дати йому прогрітися 5 – 7 хвилин. Ручку «рег.вых.» повернути проти годинникової стрілки у крайнє положення.

3. Встановити необхідну частоту, яку задає викладач. Записати значення частоти до таблиці.

4. Повертаючи ручку «рег.вых.» за годинниковою стрілкою, встановити понижену гучність звучання динаміка, щоб звук було чути без негативного впливу на органи слуху.

5. Поршень в трубі розмістити таким чином, щоб «0» лінійки співпадав з положенням ручки поршня, як показано на рис. 4.13.

Повільно переміщувати поршень від краю труби і відшукати його положення, коли виникає перше резонансне підсилення звуку. Виміряти відстань (рис. 4.13), на яку перемістилася вздовж лінійки ручка поршня. Очевидно, що на таку ж саму відстань перемістився поршень. Продовжуючи переміщувати поршень, знайти його положення , при другому й третьому послідовному підсиленні гучності (рис. 4.14, 4.15). Записати значення , , до таблиці.
Повторити виміри , , ще два рази та записати результати до таблиці. Знайти середні значення .
Штангенциркулем, у трьох різних місцях, виміряти внутрішній діаметр труби .
Обрахувати й записати до таблиці середнє значення внутрішнього діаметра .
Визначити три значення довжини біжучої хвилі за формулою: