background image

Ewelina Dudek 

 

 

 

 

 

 

   

29.04.2008 r. 

Rok I, chemia podstawowa  

 

 

 

 

dr Bogusław Kosturek 

wtorek, 12

45

-15

00

 

 

73. Wyznaczanie prędkości fali dźwiękowej w powietrzu metodą rury 

rezonansowej. 

 

1.

 

Pomiary 

 

Tabela.1.1 Położenie wskazówki na skali i wartość napięcia dla częstotliwości generatora równej 850 
Hz.   

Położenie 

wskazówki na 

skali [cm] 

Napięcie [V] 

Położenie 

wskazówki na 

skali [cm 

Napięcie [V] 

82 

0,361 

51 

4,690 

81 

1,655 

50 

4,640 

80 

2,777 

49 

4,540 

79 

3,766 

48 

4,438 

78 

4,227 

47 

4,295 

77 

4,514 

46 

4,052 

76 

4,675 

45 

3,682 

75 

4,751 

44 

3,00 

74 

4,782 

43 

2,138 

73 

4,784 

42 

1,282 

72 

4,706 

41 

0,589 

71 

4,660 

40 

1,115 

70 

4,596 

39 

2,147 

69 

4,505 

38 

3,017 

68 

4,386 

37 

3,752 

67 

4,213 

36 

4,178 

66 

3,936 

35 

4,429 

65 

3,433 

34 

4,557 

64 

2,507 

33 

4,629 

63 

1,411 

32 

4,653 

62 

0,379 

31 

4,645 

61 

1,038 

30 

4,592 

60 

2,057 

29 

4,540 

59 

3,175 

28 

4,440 

58 

3,889 

27 

4,325 

57 

4,283 

26 

4,136 

56 

4,522 

25 

3,863 

55 

4,644 

24 

3,395 

54 

4,717 

23 

2,542 

53 

4,735 

22 

1,716 

52 

4,720 

21 

0,946 

 
 
 

background image

Tabela 1.2 Położenie wskazówki na skali i wartość napięcia dla częstotliwości generatora równej 1 
kHz.

 

Położenie wskazówki na skali [cm]

 

Napięcie [V]

 

76 

0,761 

67 

0,044 

59 

0,809 

50 

0,055 

42 

0,772 

32 

0,244 

21 

0,537 

 

Tabela 1.3 Położenie wskazówki na skali i wartość napięcia dla częstotliwości generatora równej 1,5 
kHz. 

Położenie wskazówki na skali [cm] 

Napięcie [V] 

81 

0,175 

75 

0,017 

69 

0,177 

63 

0,017 

57 

0,177 

51 

0,029 

45 

0,177 

39 

0,057 

33 

0,177 

28 

0,052 

22 

0,177 

 

Tabela 1.4 Położenie wskazówki na skali i wartość napięcia dla częstotliwości generatora równej 2 
kHz. 

Położenie wskazówki na skali [cm] 

Napięcie [V] 

88 

0,053 

83 

0,464 

79 

0,038 

75 

0,464 

70 

0,101 

66 

0,465 

62 

0,097 

57 

0,462 

53 

0,055 

49 

0,454 

44 

0,060 

40 

0,394 

35 

0,075 

31 

0,400 

27 

0,093 

22 

0,402 

 

 
 
 

background image

Tabela 1.5 Położenie wskazówki na skali i wartość napięcia dla częstotliwości generatora równej 2,5 
kHz. 

Położenie wskazówki na skali [cm] 

Napięcie [V] 

89 

0,022 

85 

0,118 

81 

0,021 

77 

0,107 

74 

0,013 

70 

0,114 

67 

0,011 

64 

0,120 

60 

0,013 

57 

0,119 

53 

0,014 

50 

0,120 

46 

0,021 

42 

0,100 

39 

0,021 

35 

0,101 

31 

0,046 

27 

0,094 

24 

0,034 

 
 
 

background image

 

2.

 

Opis teoretyczny  

 

2.1

 

Rodzaje fal 

Fala  mechaniczna-  falą  mechaniczną  nazywamy  zaburzenie  w  postaci 
ruchu  drgającego  cząsteczek  ośrodka  rozchodzące  się  ze  skończoną 
prędkością v. Przykładami fal mechanicznych z życia codziennego są: fale 
morskie, fale akustyczne w powietrzu. 
Fala  nieharmoniczna-  kształt  fali  zależy  od  charakteru  drgań  źródła.  Np. 
fala prostokątna, trójkątna. 
Fale 

elektromagnetyczne

zaburzenie 

pola 

elektromagnetycznego 

rozchodzące  się  w  próżni  i  ośrodku  materialnym.  Fale  te  są  falami 
poprzecznymi, rozchodzą się w próżni z prędkością światła c.  
Fala  akustyczna  -  to  rozchodząca  się  w  ośrodku  zmiana  (zaburzenie) 
gęstości,  ciśnienia  ośrodka,  temperatury  i  energii,  oraz  związane  z  tą 
zmianą  mechaniczne  drgania  cząstek  ośrodka.  Źródłem  dźwięków 
słyszalnych są ciała wprawione w drgania, których energia jest dostateczna, 
aby wywołać w naszym organie słuchu jakim jest ucho ludzkie, najsłabsze 
wrażenia słuchowe. Inaczej mówiąc natężenie dźwięków słyszalnych musi 
przekraczać próg słyszalności. 
Fala  poprzeczna  –fala  mająca  kierunek  drgań  prostopadły  do  kierunku 
rozchodzenia się 
Fala podłużna – fala drgająca w tym samym kierunku co jej propagacja  
 

2.2

 

Równanie falowe 

Równanie  falowe  to  matematyczne  równanie  różniczkowe  cząstkowe 
drugiego rzędu, opisujące ruch falowy. Ogólną postacią równania falowego 
jest: 

 

 

 

W  równaniu  funkcja  u(x,  t)  jest  niewiadomą  opisującą  wychylenie  fali  w 
punkcie  x  w  chwili  t.  Zadane  są  początkowe  położenie  fali  f  oraz 
początkowy  impuls  g.  Fizycznie  stała  c  oznacza  prędkość  światła. 
Matematycznie  zwykłe  przyjmuje  się  c  =  1.

 

Rozwiązania  równania 

falowego  mają  różne  postaci  i  własności  w  zależności  od  parzystości 
wymiaru przestrzeni. 
 

2.3

 

Prędkość fazowa fali  

Prędkość fazową v określamy jako szybkość przemieszczania się czoła fali 
i jest ona równa   

 

gdzie: 

background image

λ- długość fali, 
T – okres, 
f – częstotliwość. 
 

2.4

 

Równanie opisujące falę harmoniczną 

Równaniem  fali  nazywa  się  wyrażenie  przedstawiające  wychylenie 
drgającej  cząsteczki  w  funkcji  jej  współrzędnych  x,  y,  z  oraz  czasu  t.  Dla 
fali liniowej rozchodzącej się wzdłuż osi OX równanie fali ma postać  

 

Czyli  wychylenie  drgającej  cząstki  jest  funkcją  współrzędnej  x  i  czasu  t. 
Załóżmy, że punkty dla x=0 drgają zgodnie z zależnością 

 

czyli  wykonują drgania  harmoniczne.  Drgania  punktów  ośrodka odległych 
od źródła fali o x będą opóźnione w stosunku do drgań źródła o czas  

 

gdzie: 
v – prędkość z jaką przenosi się zaburzenie. 
Prędkość v nazywa się prędkością fazową, gdyż z taką prędkością porusza 
się stała faza fali. Drgania cząstek w punkcie x mają zatem postać 

Ponieważ 

gdzie: 
λ=vt jest długością fali, to równanie możemy zapisać w postaci 

 

gdzie : 

 jest liczbą falową. 

Równanie fali może zawierać także fazę początkową φ, mamy wtedy  

 

Powyższe równanie nazywamy równaniem fali harmonicznej.  
 

2.5

 

Rezonans akustyczny – fala stojąca 

Rezonans  akustyczny  –  zjawisko  wzmocnienia  drgań  akustycznych 
powstałych  na  strunach,  membranach,  słupach  powietrza,  jeżeli  częstość 
drgań  wymuszonych  zbliża  się  do  częstości  drgań  własnych  układu. 
Rezonans  akustyczny  wykorzystuje  się  w  pudłach  rezonansowych 
instrumentów  muzycznych,  dzięki  czemu  lepiej  słyszymy  brzmienie 
instrumentu. 
  
Fala stojąca powstaje, gdy nakładają się na siebie (interferują) dwie fale o 
jednakowej  amplitudzie  ale  rozchodzące  się  w  przeciwnych  kierunkach. 
Fala  ta  nie  przenosi  energii,  wszystkie  punkty  drgają  w  jednakowej  fazie. 
Fala stojąca posiada charakterystyczne punkty, zwane węzłami i strzałkami. 
W  węzłach  wychylenie  zawsze  jest  równe  zero,  natomiast  w  strzałkach 

background image

amplituda  drgań  ma  wartość  maksymalną.  Odległość  między  dwiema 
sąsiednimi strzałkami lub węzłami jest równa połowie długości fali.  

 

Rys. 1 

 

 

2.6

 

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu 

Fale  dźwiękowe  są  to  fale  mechaniczne  o  częstotliwościach  od  16Hz  do 
20kHz,  gdyż  fale  w  tym  zakresie  odbiera  ucho  ludzkie.  W  powietrzu  fale 
dźwiękowe rozchodzą się z prędkością v=330-340 m/s.  
 

2.7

 

Metody pomiaru prędkości dźwięku 
A.

 

Metoda interferometru Quincke’go

 

Do  wyznaczania  prędkości  fali  dźwiękowej  służy  układ  przedstawiony  na 
rys.1  Jego  zasadniczym  elementem  jest  tzw.  rura  Quincke’go  (A),  czyli 
pionowa  nieruchoma  rura  szklana,  połączona  elastycznym  wężem  z 
naczyniem  szklanym  B.  Przesuwając  w  pionie  naczynie  B,  zmieniamy 
wysokość słupa powietrza w rurze A. Nad wylotem tej rury umieszczony jest 
głośnik emitujący dźwięk o wybranej częstotliwości, pochodzący z generatora 
akustycznego.  Przy  odpowiedniej  wysokości  słupa  powietrza  następuje 
rezonans, który słyszymy jako wyraźny wzrost głośności dźwięku.   

 

Rys.1  

background image

B.

 

Metoda rury Kundta. 

Do  wyznaczania  prędkości  fali  dźwiękowej  w  pręcie  metalowym 
wykorzystuje  się  szklaną  rurę  o  długości  ok.  1cm  i  średnicy  ok.  4cm,  zwaną 
rurą Kundta (rys.2). Jeden z końców rury jest zamknięty korkiem, przez drugi 
natomiast przechodzi pręt zakończony krążkiem ebonitowym. Średnica krążka 
jest  nieco  mniejsza  od  średnicy  rury,  aby  pręt  mógł  swobodnie  wykonywać 
drgania.  Pręt  umocowany  jest  w  połowie  swojej  długości.  Pobudzenie  go  do 
drgań osiąga się poprzez pocieranie szmatką nawilżoną alkoholem. Wewnątrz 
rury powstaje wówczas akustyczna fala stojąca, w strzałkach której gromadzi 
się drobny proszek korkowy rozsypany na dnie rury.  

 

Rys. 2

 

 

 
 

3.

 

Opis doświadczenia 

Przed  rozpoczęciem  pomiarów  sprawdzamy  zgodność  połączeń  układu. 
Następnie rozciągamy rurę rezonansową do maksymalnej długości i ustawiamy 
dla  częstotliwości  ok.  800Hz  mikrofon,  w  położeniu  maksymalnej  amplitudy 
drgań  poczym  zablokowujemy  położenie  rurki  z  mikrofonem.  Kolejnie 
ustawiamy  taką  długość  rury  rezonansowej  aby  wartość  napięcia  na 
woltomierzu była największa. Odblokowujemy rurkę z mikrofonem i mierzymy 
rozkład  napięcia  we  wnętrzu  rury,  przesuwając  mikrofon  co  1cm.  Podobne 
pomiary 

wykonujemy 

dla 

częstotliwości 

generatora 

równego 

1kHz;1,5kHz;2kHz  i  2,5kHz.  Dla  tych  częstotliwości  zagotowujemy  tylko 
położenia węzłów i strzałek.    

 

4.

 

Pomiary  

 

4.1 Wykres zależności napięcia U od położenia x mikrofonu. 

 

background image

 

 

4.2 

Obliczenie długości fali λ i wyznaczenie prędkości fali V dla 

wszystkich serii pomiarowych.

  

 
λ- długość fali [m] 
v- prędkość fazowa fali [m/s] 
f- częstotliwość [Hz] 
 

=odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (pomiędzy 

dwoma powtarzającymi się fragmentami fali) 

 

 
1)

 

Pomiar dla generatora o częstotliwości 850Hz 
λ=0,41[m] 
f= 850 [Hz] 
v

1

=λf=348,5 [m/s] 

2)

 

Pomiar dla generatora o częstotliwości 1kHz 
λ=0,34[m] 
f=1000[Hz] 
v

2

=λf=340 [m/s] 

3)

 

Pomiar dla generatora o częstotliwości 1,5kHz 
λ=0,24[m] 
f=1500[Hz] 
v

3

=λf=360 [m/s] 

4)

 

Pomiar dla generatora o częstotliwości 2kHz 
λ=0,17[m] 
f=2000[Hz] 
v

4

=λf=340 [m/s] 

5)

 

Pomiar dla generatora o częstotliwości 2,5kHz 

background image

λ=0,14[m] 
f=2500[Hz] 
v

5

=λf=350 [m/s]  

 

4.3 Obliczenie średniej arytmetycznej V z wyznaczonych wartości 
pr
ędkości fali akustycznej w powietrzu 
 

 

 

 

 

4.4 Obliczenie złożonej niepewności standardowej u

c

(V) 

 

 

 

 
 
4.5 Obliczenie niepewno
ści rozszerzonej U(V) 
 

Niepewność  rozszerzoną  definiuje  się  wzorem  U(v)  =  k  u

c

(v),  gdzie  k 

nazywa  się  współczynnikiem  rozszerzenia.  Wartość  współczynnika 
rozszerzenia  mieści  się  najczęściej  w  przedziale  2-3.  W  większości 
zastosowań zaleca się przyjmowanie umownej wartości 

 

 

 

 

 

5.

 

Wnioski  

 

W  wyniku  przeprowadzonych  pomiarów  uzyskano  średnią  wartość  prędkości 
fali akustycznej równą v = 3347,70(3,71) m/s. Wartość ta nieznacznie odbiega 
od  wartości  zawartej  w  tablicach  fizycznych,  np.  dla  15°C  prędkość 
rozchodzenia się dźwięku jest równa 340 m/s. Należy zaznaczyć, że prędkość ta 
zmienia  się  przy  zmianie  parametrów  powietrza.  Najważniejszym  czynnikiem 
wpływającym na prędkość dźwięku jest temperatura, w niewielkim stopniu ma 
wpływ wilgotność powietrza; nie zauważa się wpływu ciśnienia.