Измерение скорости звука в твердых средах методом соударения стержней (Отчет по лабораторной работе № 6)

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Кислер Дмитрий Владимирович

ОТЧЕТ

О лабораторной работе № 6

«Измерение скорости звука в твердых средах

методом соударения стержней»

Измерительный практикум, 1 курс, группа 7361

Преподаватель измерительного практикума

_________________ Климкин В.Ф.

«__»_____________ 2007 г.

Новосибирск, 2007 г.

1.  Введение

Цель: определить скорость звука в различных средах методом соударения стержней.

Оборудование: установка для измерения скорости звука методом соударения стержней, цифровой-запоминающий осциллограф TDS – 1012, набор стержней различной длинны из различных металлов, низковольтный источник постоянного тока, пьезодатчик.

Звуком (звуковыми колебаниями) называются продольные упругие волны, распространяющиеся в среде (газообразной, жидкой, твердой). Скоростью звука при этом считается скорость распространения данного возмущения от одной точки среды до другой.

В данной работе скорость в металлических стержнях измерялась, как скорость распространения упругого ударного возмущения вдоль стержней. Стержнем в акустике называют тело длина которого много больше, а площадь поперечного сечения меньше (но порядка) длины волны упругих возмущений

1.1. Краткая теория

Выведу формулу для расчета скорости звука в стержне, для этого рассмотрю следующий пример. Стержень налетает на абсолютно упругую стенку со скоростью Vвначальный момент времени t = 0 (рис. 1, а). В момент удара, соприкоснувшийся со стенкой конец стержня, останавливается и по стержню начинает идти волна сжатия с искомой скоростью С. Через время Δtволна пройдет расстояние Δx = CΔt(рис. 1, б), значит эта область стержня уже остановилась в то время, как остальная часть продолжает двигаться к стенке со скоростью V. Когда волна дойдет до правого конца стержня скорость всех его сечений будет равна нулю (рис. 1, в).

Из этих рассуждений следует, что время распространения волны по стержню до его полной остановки равно: . Отсюда находим искомую скорость: (1), где L – длина стержня.

1.2. Схема опыта

Схема по измерению скорости звука в стержнях представлена на рисунке 2.

            Стержень L, скользит по цилиндру, предохраняющему стержень от перекосов при падении. При достижении верхнего конца стержня с закрепленным на нем пьезотачиком D звуковой волной, распространяющейся после соприкосновения стрежня с поверхностью, в пьезодатчике возникнет разность потенциалов. Амплитуда данного сигнала пропорциональна величине деформации датчика.

            Сам пьезодатчик представляет собой цилиндрическую “таблетку” из сегнетоэлектрической керамики, на торцах которой при ее упругой деформации создается разность потенциалов. Диаметр датчика равен диаметру стержня, а длина равна 1 см.

            Низ цилиндра, в котором находится стержень, подключенный последовательно через элемент ИП подключен к каналу CH2. Сигнал (равный напряжению источника питания ИП) на этот канал подается в течении времени t взаимодействия стержня с поверхностью, т.к. цепь замкнута только при их контакте.

            При этом осциллограф должен быть установлен в режим запуска развертки CH1 сигналом, поступающим на вход CH2. Поэтому начало развертки по каналу CH1 (сигнал с пьезодатчика) совпадает с началом импульса ИП, приходящего на канал CH2.

2.  Ход работы

После сборки установки, изображенной на рисунке 2, были произведены измерения времени взаимодействия дюралевого, латунного и медного стержней со стенкой при помощи осциллографа TDS - 1012 – Δt на рис. 3 на разных высотах импульса осциллограммы.

Полученные результаты представлены в таблицах 1-3. Примечание: в таблицах 1-3 были использованы следующие обозначения: “высота пика” – уровень напряжения в долях амплитудного U_max, С – величина скорости звука, рассчитанная по формуле (1).

Таблица 1. Измерение скорости звука в дюралевом стержне (L = 40 см)