Лабораторная работа № 9 Изучение свойств звуков..


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Лабораторный практикум по
Физике

экспериментальной лаборатории SesorLab

Исследование свойств звуковой волны


Цель работы

Целью работы являются:

1) экспериментальное определение длины з
вуковой волны;

2) исследование процессов распространения и отражения звуковой волны от препятствий.


Метод экспериментального исследования явления

В работе с помощью датчика звука (микрофона) измеряется частота звуковых волн, исследуются
процессы распростр
анения и отражения звуковых волн от экрана.


Теория

Звуковыми
называются упругие волны, частоты которых лежат в пределах восприятия органами
слуха человека, в диапазоне примерно от 16 до 25 000 Гц.

В общем случае колебания частиц среды при распространении
звуковой волны могут

происходить
в поперечном и продольном направлениях. В отличие от твердого тела жидкости и газы обладают
только объемной упругостью, но не упругостью формы. Поэтому в

них могут распространяться только
продольные
возмущения и не могут ра
спространяться возмущения
поперечные
. Таким образом, в
воздухе звуковая волна представляет собой

следующие друг за другом сжатия и разрежения газа,
причем частицы газа колеблются

вдоль направления распространения волны.

Скорость распространения звуковых во
лн в разных средах различна. Медленнее всего

звук
распространяется в газах (скорость звука в воздухе при температуре 20°С составляет

340 м/с). В более
плотных средах


жидкостях и твердых телах


звук распространяется

быстрее (скорость звука в
стальном рел
ьсе составляет 5000 м/с).

Скорость распространения звуковой волны в газообразной среде можно вычислить по

формуле
Лапласа:


где
T
, μ


температура и молярная масса газа соответственно;



адиабатическая постоянная газа
(для воздуха = 1,4);
R


универсальн
ая (молярная) газовая постоянная

(8,31 Дж/(моль

К)).

Скорость распространения звуковой волны в газе примерно совпадает со средним значением
скорости теплового движения молекул газа, которая определяется температурой и

составом вещества.
Таким образом, скор
ость звука не должна зависеть от его частоты, что

и подтверждается на практике.

Частота звука, измеряемая в герцах (Гц), связана с его длиной волны

известным

соотношением


c /


(в общем случае звуковая волна является суперпозицией волн с разными
частота
ми). От частоты звука зависят свойства звуковой волны: ее затухание и отражение.

В процессе распространения звуковых волн в среде происходит их затухание. Амплитуда
продольных колебаний частиц воздуха постепенно уменьшается с увеличением расстояния от
исто
чника звука. Часть энергии, которая переносится звуковыми волнами, поглощается средой.
Затухание звуковых волн обусловлено внутренним трением (вязкостью)

газа, его температурой,
составом и частотой звуковой волны.

Амплитуда звуковых волн определяет величин
у
звукового давления
, а значит, громкость звука.
Акустическим эталоном звукового давления, близким к абсолютному порогу слухового восприятия
человеческого уха, принято считать величину
P
0
= 2


10

5

Н/м
2
.

На практике для характеристики звука обычно использ
уют логарифмическую величину


так
называемый уровень
звукового давления N
, измеряемый в децибелах (дБ)

и определяемый по формуле

где
Р
х


действующее звуковое давление.

По шкале децибел оценивается также
интенсивность звука
(сила звука)


величина,

равн
ая
количеству энергии, переносимой звуковой волной через единичную площадку,

перпендикулярную
направлению распространения волны, за единицу времени. Принимая за эталонное значение
Лабораторный практикум по
Физике

экспериментальной лаборатории SesorLab

интенсивности
I
0
= 10

12

Вт/м
2
, число децибел определяют по формуле

, где
I
х


интенсивность данного звука.

Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому


Звуковая волна может испытывать отражение и рассеяние от препятствий, встречающихся на ее
пути (например, от стены). Доля отраженной энергии звуков
ой волны зависит

в основном от
соотношения плотностей газа и препятствия и от состояния поверхности раздела сред. Отражение
звука, распространяющегося в воздухе, от твердого тела или жидкой

поверхности происходит
практически полностью. Для звука справедлив

закон отражения,

аналогичный закону отражения света.


Источником звуковых колебаний может служить любое тело, которое колеблется со

звуковой
частотой. Так, например, мембрана громкоговорителя колеблется с вынужденной частотой,
соответствующей частоте пере
менного электрического тока, который протекает в обмотке катушки
громкоговорителя. Способность тел излучать звук зависит от

размеров их поверхностей. Большая
площадь поверхности тела способна лучше воспроизводить звук с меньшей частотой.

Для регистрации зв
ука используются обратные преобразователи звуковых колебаний

в колебания
электрического тока, например микрофон. Мембрана микрофона должна быть

максимально легкой,
чтобы с высокой чувствительностью регистрировать колебания звуковой волны.


Контрольные вопро
сы

1. К каким волнам относятся звуковые волны


поперечным или продольным?

2. Чему равна частота звука в воздухе при комнатной температуре, если длина звуковой волны
равна 1м?

3. Почему электрический сигнал, получаемый на выходе микрофона, повторяет времен
ной
профиль звуковой волны?


Оборудование экспериментальной установки

Датчик звука (микрофон):

Громкоговоритель.

Функциональный генератор.

Штатив универсальный с крепежом.

Экран размером не менее 30×30 см.


Примечание
. Вместо экрана можно использовать кни
гу большого размера.


Параметры экспериментальной установки

Длительность проведения эксперимента

Весь цикл измерений может быть проведен за 15

20 мин.

На обсуждение содержания эксперимента и его результатов, ответы на вопросы во время
выполнения измерений и

после их окончания отводится 15

20 мин.

Техника безопасности

Во время проведения эксперимента необходимо соблюдать все правила техники безопасности,

указанные для персонального компьютера как электрического оборудования.

Лабораторный практикум по
Физике

экспериментальной лаборатории SesorLab

Используемое измерительное оборудо
вание (
система сбора данных
,
датчик звука (
микрофон
)
)
экспериментальной установки рассчитано на питание от низковольтного напряжения, не
представляющего опасности для человека.


Обеспечение наглядности результатов эксперимента

Штатив с микрофоном и громкого
воритель с функциональным генератором следует располагать
на демонстрационном столе вдоль его длинной стороны так, чтобы обеспечить возможность

удаления
микрофона от громкоговорителя на расстояние 3

5 м.

Для обеспечения удобства управления демонстрацией э
ксперимента компьютер необходимо

располагать достаточно близко от установки (на расстоянии не более 1,5 м).

Экран компьютера рекомендуется продублировать с помощью проектора.


Монтаж и настройка

Микрофон закрепляется на штативе в горизонтальном положении на

высоте, соответствующей

центру громкоговорителя. Необходимо предусмотреть возможность поворота громкоговорителя

вокруг
вертикальной оси, перемещение громкоговорителя (или микрофона) в пределах нескольких

метров.


Подготовка приборов

Перед началом проведени
я эксперимента необходимо выполнить следующее:

Внимательно прочитайте инструкции, подготовьте необходимое оборудование, соберите
установку в соответствии с разделом

Монтаж и настройка

.

Запустите программу
SesorLab ПО
.

Подключите
датчик звука (
микрофон
)

к аналоговому входу системы сбора данных.

Подключите к функциональному генератору громкоговоритель, предварительно

уменьшите до
нуля амплитуду сигнала генератора.


Методика выполнения эксперимента


Проведение измерений

Включите генератор в электрическую сеть
, установите частоту сигнала в диапазоне

500

1000 Гц,
форму сигнала


гармоническую, амплитуду сигнала


по приемлемой громкости звука.

Нажмите кнопку
Пуск
. При этом на экран дисплея начинают выводиться два

графика сигнала с
выхода микрофона: один график


с большим масштабом по оси

времени (по оси абсцисс, интервал
20 с), другой


с меньшим масштабом по оси времени (по оси абсцисс, интервал 0,1 с). Значение
основной частоты сигнала на выходе

микрофона рассчитывается автоматически и отображается в поле
Част
ота сигнала
.


Убедитесь, что эта частота совпадает с частотой сигнала генератора, а форма сигнала близка к
гармонической. Повторите наблюдения, установив другую частоту

сигнала генератора.

Установите частоту сигнала генератора 2 кГц. Перемещайте громкогово
ритель в направлении от
микрофона. Во время проведения опыта на графике с большим масштабом по оси времени отобразится
уменьшение амплитуды сигнала по мере увеличения расстояния до источника звука.

Установите микрофон перпендикулярно плоскости громкоговори
теля. Вращайте

громкоговоритель вокруг вертикальной оси. При этом на графике с большим масштабом по оси
времени отобразится изменение амплитуды сигнала на выходе микрофона.


Примечание
. Можно оценить раствор конуса, в котором распространяется звуковая волна

(так
называемая диаграмма направленности громкоговорителя).

Установите микрофон перпендикулярно плоскости громкоговорителя. Поместите

между
микрофоном и громкоговорителем экран, при этом на графике с большим

масштабом по оси времени
отобразится уменьшение

амплитуды сигнала. Уменьшите частоту сигнала генератора до 200

300 Гц,
пронаблюдайте уменьшение эффекта

ослабления сигнала.

Установите громкоговоритель сбоку от микрофона. Установите частоту сигнала генератора 2 кГц.
Возьмите экран и, вращая его, направьт
е отраженную звуковую

волну на микрофон. Добейтесь
наибольшего эффекта отражения по максимальному

значению амплитуды сигнала на выходе
микрофона.


Лабораторный практикум по
Физике

экспериментальной лаборатории SesorLab

Анализ

результатов

Объясните учащимся, что вынужденные колебания мембраны громкоговорителя приводят к
продольн
ым колебаниям частиц воздуха, воздействующих на мембрану микрофона, которая, в свою

очередь, начинает совершать колебания с той же частотой.

Обратите внимание учащихся на ослабление интенсивности звуковой волны с увеличением
расстояния до источника звука и

объясните, что это ослабление вызвано затуханием колебаний в
результате трения (вязкости воздуха) и расхождением звуковой волны в пространстве в широкий

конус
(с удалением микрофона давление на его мембрану уменьшается обратно пропорционально

квадрату
рас
стояния до источника звука).

Объясните процессы отражения звуковой волны от препятствия и ее ослабления. Оцените длину

волны звука и сравните ее с размером препятствия.


Справка


Принцип работы датчика звука (микрофона)

В данном эксперименте используется ми
крофон электретного типа, работающий в диапазоне
частот от 20 до 16 000 Гц.

Рабочая часть обычного конденсаторного микрофона представляет собой конденсатор

с одной
подвижной обкладкой, которая является мембраной и может перемещаться под

воздействием звуков
ой
волны, изменяя емкость конденсатора. К обкладкам такого конденсатора необходимо подводить
достаточно высокое напряжение (около сотни вольт).

Электретный микрофон является частным случаем конденсаторных микрофонов.

Он отличается от обычного конденсаторно
го микрофона наличием специального слоя

из
электрета,

расположенного на одной из обкладок конденсатора или в зазоре между обкладками.
Электретом является диэлектрик, находящийся в наэлектризованном, заряженном состоянии.
Электреты можно получить, например,

из полимерной диэлектрической пленки, облученной пучком
электронов или протонов. Наличие заряженного слоя

позволяет уменьшить напряжение, подводимое к
обкладкам конденсатора.

В конструкцию микрофона входит операционный усилитель сигнала, который питается
от платы
сбора данных напряжением +5 В с током 7,5 мА. После усиления сигнал попадает на вход платы сбора
данных, оцифровывается и выводится на экран компьютера.

При работе с микрофоном необходимо помнить, что при воздействии на микрофон звуковых волн
один
аковой интенсивности, но разных частот амплитуда полученного сигнала

будет существенно
различаться (может даже в 100 раз), т. е. микрофон обладает непостоянной амплитудно
-
частотной
характеристикой. Это затрудняет проведение даже относительных измерений гро
мкости звука на
разных частотах. Для решения таких задач существуют специальные калиброванные микрофоны с
измеренной производителем амплитудно
-
частотной характеристикой.


Частоты и длины волн некоторых источников звука


Лабораторный практикум по
Физике

экспериментальной лаборатории SesorLab


Интенсивность некоторых источников
звука




Приложенные файлы

  • pdf 10799045
    Размер файла: 494 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий