МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физический факультет
Кафедра общей физики
ОТЧЕТ
о лабораторной работе
«Измерение скорости звука в твёрдых телах
методом соударения стержней»
Измерительный практикум, 1 курс, группа 12332
Преподаватель измерительного практикума
«» 2012 г.
Преподаватель компьютерного практикума
«» 2012 г.
Новосибирск, 2012 г.
Аннотация.В данной работе исследуется скорость звука в металлах методом их соударения и измерения времён соприкосновения и распространения волны. В ходе исследований было выяснено, что один из способов слабо пригоден в силу большого влияния систематической погрешности. Была исследована случайная погрешность.
В физике звуком (звуковыми волнами, упругими волнами, механическими волнами, акустическими волнами) называется распространение в упругой среде (газообразной, жидкой или твердой) слабых возмущений или механических колебаний с малыми амплитудами. Понятие «скорость звука» охватывает ещё больший круг явлений. Любое локальное механическое возмущение среды, передаваемое от точки к точке за счёт упругих сил, распространяется со скоростью звука.
В данной работе скорость звука в металлических стержнях измеряется как скорость распространения упругого ударного возмущения вдоль стержней в среде.
Стержнем в акустике называется тело, длина которого много больше, а поперечный размер меньше (или порядка) длины волны упругих колебаний. Если поперечный размер много меньше длины волны звука, то такое тело в акустике называется струной (при условии, что она сильно натянута и обладает равномерно распределённой по длине плотностью). В струне легко возбуждаются и могут устойчиво существовать лишь поперечные волны, тогда как в стержне могут возбуждаться поперечные и продольные волны.
Соответственно целью работы является определение скорости распространения в упругой среде (в данном случае в металлах) слабых возмущений или механических колебаний с малыми амплитудами методом соударения стальных, алюминиевых, медных и латунных стержней разной и одинаковой длины и анализ систематических погрешностей измерений.
В данной работе рассмотрены два способа измерения скорости звука:
1. По времени соударения стержней. Время соударения вычисляется по формуле:
. (1)
Тогда снимая с осциллограммы время соударения и измеряя длину большего из стержней, можно посчитать скорость звука в металле.
В данном способе измерений большую роль играет соосность соударения и геометрия торца стержня, что может привести к ошибкам.
2. По времени распространения волны от одного конца стержня до другого. В результате соударения стержней по ним начинает распространяться со скоростью звука волна упругого сжатия.
Пьезодатчик, закреплённый на конце одного из стержней, представляет собой цилиндрическую таблетку из сегнетоэлектрической керамики (титаната бария), на торцах которой при её упругой деформации возникает разность потенциалов с амплитудой, примерно пропорциональной величине деформации.
Деформация (и сигнал) возникает в тот момент, когда распространяющаяся от удара звуковая волна достигнет левого торца стержня.
Время распространения волны вычисляется по формуле:
. (2)
Стержни изготовлены из различных металлов: сталь, медь, алюминий. Стальные стержни различной длины, а стержни из алюминия и меди одинаковые. Стержни из одного металла L1 и L2 подвешены на гибких подвесах (нитях), обеспечивающих их горизонтальную подвижность вдоль общей оси, но препятствующей параллельному смещению осей относительно друг друга (для обеспечения центрального удара).
На левом конце стержня L1 закреплён пьезодатчик D, сигнал с которого поступает на вход K2 осциллографа. Диаметр пьезодатчика равен диаметру стержня, а его длина – LD = 1 см.
Правый конец стержня L2 через последовательно включённую батарею ИП подключен ко входу канала К1 осциллографа. Стержни металлические, и лишь при их контакте второй полюс источника через них и общую шину поступает на заземленный вход осциллографа (общий для каналов К1, К2 и для ИП и D).
Стержень L2 движется со скоростью V навстречу к стержню L1. В момент начала соударения по обоим стержням начинает распространяться волна сжатия с одинаковой скоростью c.
Рисунок 1. Схема установки для измерения скорости звука методом соударения стержней: L1, L2 – металлические стержни; D – пьезодатчик; TDS – цифровой осциллограф с двумя входами К1 и К2; ИП – источник сигнала запуска осциллографа.
Осциллограф установлен в режим запуска развёртки сигналом, поступающим на вход канала К1.
При имеющейся установке осциллограммы имеют примерно следующий вид:
Рисунок 1. Характерный вид осциллограмм: t0 – начало соударения; Δt – время соударения; δt – время распространения волны.
Стержни изготовлены из различных металлов: сталь, медь, алюминий
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
