Лабораторная работа № 2. 11 стояЧие волны и определение скорости звука в воздухе

Цель работы: определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн и определение отношения удельных теплоемкостей .

Приборы и принадлежности: лабораторная установка с микрофоном и телефоном, генератор сигналов низкочастотный ГЗ – 109, осциллограф АСК-1011.

Литература: [1-5]

План работы:

3. Изучение свойств звуковых волн.

4. Изучение свойств звуковых волн в газах.

5. Изучение свойств стоячих волн.

6. Описание экспериментальной установки и выполнение работы.

1. Звуковые волны

Звук – это распространяющееся в виде волн колебательное движение частиц упругой среды: газообразной, жидкой или твердой. Органы слуха человека способны воспринимать звук с частотой от 16 Гц до 10-20 кГц. Звук с частотой ниже слышимого диапазона называется инфразвуком, с частотой выше – ультразвуком. Самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ Гц (в газах) до 10¹³ Гц (в твердых телах и жидкостях) относятся к гиперзвуку. Верхний предел частот гиперзвуковых волн определяется атомным и молекулярным строением сред: в газах длина упругой волны должна быть больше длины свободного пробега молекул, а в жидкостях и твердых телах – больше удвоенного межмолекулярного или межатомного расстояния.

Источниками звука могут быть любые явления, вызывающие возмущение упругой среды, то есть местное отклонение давления или механического напряжения от равновесного значения или локальные смещения частиц от положения равновесия. В звуковых излучателях для этого часто используются колебания твердых тел – мембраны телефонов, струны музыкальных инструментов и т.д. В природе звук возбуждается при обтекании твердых тел потоком воздуха за счет образования и отрыва вихрей. Источниками звука являются голосовые аппараты человека и животных. Схема телефона (динамика), работа которого основана на взаимодействии электромагнита и стальной пластинки (мембраны), показана на рис. 11.1. В телефонном капсюле находится стальная пластина — мембрана. Под ней — дугообразный намагниченный стержень, на который насажены две соединенные последовательно катушки из большого количества тонкого эмалированного медного провода.

Рис. 11.1. Устройство телефона (динамика)

Концы катушек соединены с наружным шнуром для подключения к звуковоспроизводящей аппаратуре. Под действием постоянного магнита мембрана прогибается в середине (рис. 11.1, б, сплошная линия), не соприкасаясь со стержнем. Электрический ток, текущий через катушки, в зависимости от направления может усилить намагниченность стержня или ослабить. При этом мембрана прогибается сильнее (нижняя пунктирная линия) или слабее (верхняя пунктирная линия), чем при отсутствии тока. Если через катушки пропустить ток переменной силы и направления, то в такт изменениям тока мембрана будет совершать движения в ту или иную сторону по сравнению с первоначальным положением. Такие колебания мембраны вызывают смещения малых объемов воздуха, примыкающих к мембране, приводящие к возмущению давления воздуха и генерации звука.

Приемники звука преобразуют энергию звуковых волн в другие формы энергии. В природе приемниками звука являются слуховые аппараты человека и животных, в технике – электроакустические преобразователи: микрофоны в воздухе, гидрофоны в воде, геофоны в земной коре. Устройства, предназначенные для преобразования звуковых колебаний в электрические колебания, называются микрофонами (от греч. mikros — малый и phone-звук). Существует несколько видов микрофонов, отличающиеся друг от друга по принципу действия: электромагнитные, конденсаторные, пьезоэлектрические и другие. Практически во всех микрофонах имеется подвижный элемент (диафрагма, мембрана), способный колебаться под воздействием звукового давления. В зависимости от того, каким образом формируется результирующая сила, воздействующая на подвижную систему, все микрофоны подразделяются на приёмники давления, градиента давления и комбинированные приёмники. В приёмниках давления звуковое поле действует на подвижную систему с одной стороны; результирующая сила в этом случае не зависит от направления прихода звуковой волны и микрофон, при условии, что его размеры малы по сравнению с длиной волны, не обладает направленностью. Примером такого электромагнитного катушечного микрофона является уже рассмотренный телефон (см. рис. 1.11). Звуковое давление, действуя на мембрану такого микрофона, заставляет ее колебаться. Мембрана, прогибаясь ближе к полюсам магнита, уменьшает воздушный зазор между ними. При этом уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода, образованного из подковообразного магнита и мембраны; а индукция магнитного поля растет. При выпрямлении мембраны воздушный зазор увеличивается, сопротивление магнитопровода растет, а индукция магнитного поля уменьшается. Магнитное поле, изменяющееся в такт колебаний мембраны, в катушках возбуждает переменную ЭДС.

Среди используемых микрофонов наиболее высокими электро-акустическими параметрами обладают конденсаторные микрофоны. Они имеют тонкую мембрану, являющуюся одновременно одной из обкладок плоского конденсатора. Второй обкладкой конденсатора служит массивный неподвижный электрод с отверстиями, которые делаются в нём для обеспечения необходимых диссипативных свойств воздушного зазора между электродами. С помощью источника постоянного напряжения в рабочем зазоре конденсатора создаётся электрическое поле. При колебаниях мембраны под воздействием звуковых волн ёмкость конденсатора меняется и через сопротивление нагрузки протекает разрядно-зарядный ток, создающий на сопротивлении напряжение сигнала , повторяющего по форме акустический сигнал.