Измерение скорости звука в стали, меди и алюминии

1. Цель. Измерить скорость звука в стали, меди и алюминии.

2. Идея метода измерения. Измерить время прохождения звука по стержню известной длины.

3. Методика измерений. Столкнуть два металлических стержня у одного из которых к свободному концу подведено напряжение, а у другого к свободному концу присоединен пьезодатчик. Каждый из свободных концов подключен к отдельному входу осциллографа, благодаря чему можно наблюдать разницу во времени между столкновением стержней и моментом «прихода» волны от удара на пьезодатчик. Эта разница и будет временем прохождения звука в исследуемом металле.

Можно считать, что при центральном ударе звук проходит длину стержня за кратчайший промежуток времени. Однако, основной проблемой в данном эксперименте, как раз является нецентральный удар, при котором возникают дополнительные поперечные колебания, увеличивающие время прохождения волны через стержень.

Усовершенствуем методику измерений. В работе используется цифровой осциллограф Tektronix, в котором есть возможность оставлять на экране предыдущие осциллограммы. Активировать данную функцию можно: Display -> Persist -> Infinite. Теперь будем проводить по три соударения за один подход. Наблюдаем картину:

На осциллограмме видно, что один из ударов является нецентральным (время прохождения звуковой волны больше, чем в других соударениях). Поэтому выбираем совпадающие графики.   

4. Результаты.

На экране осциллографа наблюдаем следующие осциллограммы:

Таблица 1. Время прохождения звуковой волны через стержень.

В итоге были получены следующие данные:

C_{нержавейка}=4700±30 м/с

C_Cu=3620±40 м/с 

C_Al=4980±30 м/с

5. Погрешности измерений.

Рис. 4 Зависимость дисперсии(σ) от числа измерений(N).

6. Обсуждение результатов.

Табличные данные скорости звука в металлах:

C_{нержавейка}=5000 м/с

C_Cu=3600 м/с 

C_Al=5100 м/с

Наши данные:

C_{нержавейка}=4700±30 м/с

C_Cu=3620±40 м/с 

C_Al=4980±30 м/с