Описание установки

Лабораторная установка позволяет проводить исследование звуковых волн методом регистрации фигур Лиссажу.

Устройство для изучения звуковых волн состоит из основания, на котором укреплен электронный блок, включающий в себя цифровой частотомер и звуковой генератор. Над электронным блоком укреплен акустический блок устройства. В правой его части расположен излучатель (малогабаритный динамический громкоговоритель), подключенный к звуковому генератору. По направляющим перемещается каретка с миниатюрным микрофоном. Акустический блок закрыт прозрачным кожухом, на передней поверхности которого нанесена шкала. Устройство подключено к осциллографу С1–5 для регистрации фигур Лиссажу на экране электронно-лучевой трубки осциллографа, где электронный луч прорисовывает траекторию движения точки, участвующей во взаимно-перпендикулярных колебаниях.

Для получения двух взаимно-перпендикулярных колебаний в установке регистрируются два электрических сигнала, которые подаются на взаимно-перпендикулярные отклоняющие пластины Х и Y осциллографа. На пластины Х подается сигнал, пропорциональный напряжению питания излучателя – источника звуковых волн (переменный электрический ток звуковой частоты вызывает звуковые колебания воздуха). На пластины Y подается усиленный сигнал с микрофона, помещенного на некотором расстоянии от излучателя (звуковые колебания воздуха генерируют переменный электрический ток звуковой частоты). Таким образом, на экране осциллографа регистрируются два сигнала с одинаковой частотой, но разными фазами.

Излучатель

(сигнал по Х)

Рис. 2

Фаза сигнала зависит от расстояния между излучателем и микрофоном. Пере­мещая микрофон вдоль направления распространения звуковой волны, идущей от излучателя, можно изменять разность фаз  = ₂ – ₁ слагае­мых взаимно-перпендикулярных электрических колебаний в электронно-лучевой трубке осциллографа, т.е. изменять форму фигур Лиссажу. На рис. 2 поясняется образование фигур Лиссажу различной формы.

Пусть при некотором у = L₁ (рис. 2) сдвиг фаз между колебаниями на входах X и Y осциллографа ₂ – ₁ = 2L₁/ = 2k, т. е. L₁ = k. На экране проорисовывается прямая, показанная на рис. 1в. При увеличении у увеличивается сдвиг фаз, прямая переходит в эллипс. При дальнейшем увеличении у до y = L₂ получаем ₂ – ₁ = 2L₂/ = 2k + , т. е. L₂ = (k + 1/2). На экране прорисовывается прямая, показанная на рис. 1г. Расстояние, на которое нужно переместить микрофон, чтобы последовательно наблюдать картины, подобные рис. 1в и 1г, определяется разностью L₂ – L₁ = /2, а длина волны  = 2(L₂ – L₁).

Если при некотором у = L₃ (рис. 2) на экране устанавливается эллипс (рис. 1а), то при увеличении у форма эллипса меняется. При некотором у = L₄ эллипс приобретает форму, показанную на рис. 1б. При этом фаза сигнала Y меняется на  вследствие перемещения микрофона на расстояние L₄ – L₃ = /2, т. е. в этом случае  = 2(L₄ – L₃). Зная частоту и перемещение микрофона, можно найти скорость звука в воздухе (см. формулу 4):

(9)