Значения модуля Юнга и плотности металлов

Вещество	Модуль Юнга E, ГПа	Плотность, кг·м
Железо (сталь)	200
Алюминий	69
Латунь	105

Описание экспериментальной установки

Установка предназначена для измерения скорости про-дольных звуковых волн в воздухе и металлах. Определение скорости звуковых волн в воздухе основано на фазовом из-мерении длины звуковой волны, распространяемой между ис-точником звука (громкоговоритель) и приемником звука (микрофон):

, (8.13)

где – расстояние между громкоговорителем и микрофо-ном, соответствующее фазам колебаний при ;.

Определение скорости звуковых волн в металлических стержнях основано на резонансном методе. На концах стер-жней закреплены шайбы из ферромагнитного материала. Стержень жестко закреплен в плоскости геометрического центра тяжести. С одной стороны стержня на расстоянии 0,1 – 0,3 мм находится датчик, возбуждающий колебания в стержне. Изменяя частоту генератора, подключенного к датчику, меняют частоту тока, протекающего через индук-тивность датчика. Конец стержня при этом начинает притя-гиваться к датчику с частотой тока, и в нем возникают про-дольные волны, которые отражаются от другого конца стер-жня. При плавном изменении частоты можно получить сто-ячую волну. На другом конце стержня колебания воспри-нимаются приемником и подаются на вертикальный вход осциллографа.

При стоячей волне звуковых колебаний образуется ре-зонанс, т.е. собственная частота колебаний стержня совпа-дает с возбуждающей частотой, что сопровождается увели-чением амплитуды сигнала приемника. При первой резо-нансной частоте на стержне уложатся две четверти стоячей волны (одна полуволна). По известной длине стержня мож-но определить длину звуковой волны и рассчитать ее ско-рость в стержне по формуле:

, (8.14)

где – длина стержней, равная 300 1 мм.

Конструкция установки (рис. 8.1) включает штатив 1, на основании которого закреплен электронный блок 2. Над электронным блоком на стойке штатива закреплен крон-штейн 10, на концах которого крепится датчик 5 и при-емник 4. К средней части кронштейна при помощи замка 8 крепятся стержни 3. В верхней части штатива закрепляется волновод 9, предназначенный для определения скорости звука в воздухе.

Волновод представляет собой воздушный канал, на од-ном торце которого закреплена головка громкоговорителя 6, а другой торец канала закрыт декоративной крышкой 11. Микрофон устройства закреплен на ползуне 7, который поз-воляет перемещать его вдоль воздушного канала и фикси-ровать различные фазы звуковых колебаний. Для этого на заднюю панель установки выведены четыре клеммы, две из которых подключены к источнику питания датчика, а две – к микрофону. Подключив к указанным клемам входы гори-зонтальной и вертикальной развертки осциллографа типа С1-55, предварительно приведенного в режим работы "Фазовая плоскость", можно наблюдать на его экране фигу-ры Лиссажу. При перемещении микрофона форма фигур Лиссажу изменяется, что позволяет контролировать раз-ность фаз колебаний в различных точках воздушного канала.

Частота колебаний изменяется с помощью частотомера, индикатор которого выведен на переднюю панель электрон-ного блока. Кроме того, на передней панели находятся кнопки "Воздух" и "Металл", позволяющие коммутировать сигналы генератора на головку громкоговорителя или на датчик соответственно. Частотомер предназначен для изме-рения частоты до 9999 Гц. При поступлении бóльшей час-тоты измеряемого сигнала индикатор начинает мигать с частотой 1 Гц.

Кроме того, на переднюю панель электронного блока вы-ведены индикатор включения сети и ручки регулирования частоты и амплитуды выходного сигнала. На задней панели имеется клемма заземления, а также кнопка "Контроль", при нажатии которой в случае нормальной работы частотомера индицируется контрольная частота 1024 Гц.