Měření rychlosti zvuku ve vzduchu Mária Čarná Dalibor Javůrek Filip Jareš

Prepis

1 Měření rychlosti zvuku ve vzduchu Mária Čarná Dalibor Javůrek Filip Jareš

2 Dejiny akustiky Od Pythagora do konca 16. st. rozvoj prevažne hudobnej akustiky v úzkej súvislosti s teóriou hudby Klasické obdobie ( ) zbližovanie akustiky s klasickou mechanikou Súčasné obdobie: rozvoj elektroakustiky, molekulárnej akustiky, fyziologickej akustiky

3 Vznik a vývoj akustiky pred Galileim názov odvodený z gréckeho akustikos základy hudobného umenia boli známe väčšine starovekých národov významné osobnosti: Pythagoras, Aristoteles v staroveku dosiahla významných výsledkov grécka hudobná teória v stredoveku sa rozšírilo poznanie v oblasti hudobnej a stavebnej akustiky, inak však nemala akustika ako fyzikálna disciplína vplyv na rozvoj hudby, skôr naopak výraznejší pokrok v tomto smere nastáva až počas renesancie

4 Klasické obdobie akustiky významné osobnosti: Galilei Mersenne prvýkrát určil rýchlost zvuku vo vzduchu zakladatel hudobnej akustiky Sauveur O. von Guericke Newton vypočítal závislost rýchlosti zvuku na stlačitel nosti a hustote zvuku Laplace

5 Klasické obdobie akustiky významné osobnosti: zakladatel experimentálnej akustiky Ernst Chladni Johann Doppler Jean Fourier Helmholtz bratia Weberovci do akustiky zaviedli pojem vlnovej dĺžky vel mi presné priame meranie rýchlosti zvuku vo vzduchu, v d al ších plynoch a v kovoch Henri Regnault nepriamu metódu merania rýchlosti zvuku v plynoch a parách vypracoval August Kundt v r Edison

6 Klasické obdobie akustiky kvapaliny boli dlho považované za nestlačitel né a teda za neschopné viest zvuk Viedeň, r frekvencia komorného a určená na 435 Hz, v súčasnosti 440 Hz na prelome 19. a 20. st. záujem fyzikov o akustiku slabne, pretože je považovaná za dovŕšenú oblast vedy

7 Súčasné odobie akustiky vznik elektroakustiky koniec 19. st. vynájdenie telefónu, zdokonalenie mikrofónu, objav gramofónu metódy optického záznamu zvuku, koniec nemého filmu metóda magnetického záznamu zvuku rozvoj fyzikálnej akustiky počas 1. sv. vojny čes. fyzik Čeňek Strouhal 20. st. zmeny v klasickej akustike rozvinula sa akustika hlasu a reči a problematika prenosu vel kého počtu zvukových signálov obmedzeným počtom zvukových kanálov, tým sa akustika dostáva do úzkeho kontaktu s teóriou informácií, s problematikou spojenia a kódovania

8 Súčasné odobie akustiky Celkovo môžeme povedat, že akustika prežíva prudký rozvoj, a to vo všetkých smeroch, tj. v akustike hudobnej, fyzikálnej, v najrôznejších smeroch aplikovanej akustiky, i v oblastiach, kde sa spája akustika s biológiou a psychológiou.

9 Podstata zvuku Podstatou zvuku je kmitavý pohyb molekul přenášený působením sil jimiž na sebe molekuly navzájem působí: vlnění molekul (atomů); může se šířit pouze v látkách (nikoliv ve vakuu). Zvuk se šíří v plynech, kapalinách i v pevných látkách. V různých prostředích se šíří různou rychlostí. U zvuku jde o podélnou vlnu, která má formu střídavého zhušt ování a zřed ování vzduchu, případně jiného prostředí, jímž vlnění prostupuje. Rychlost zvukové vlny je závislá na okamžitých podmínkách (tlaku, teplotě a vlhkosti) prostředí. Změny uvedených veličin v rámci běžných hodnot však rychlost zvuku ovlivňují jen nepatrně. Rychlosti (fázové rychlosti) těchto vln říkáme rychlost zvuku a značíme ji obvykle c

10 Podélné vlnění Při podélném vlnění kmitají částice uspořádaně kolem středních poloh, které zaujímají v prostředí, pokud se jím nešíří zvuk. Vychýlení částice ze střední polohy se nazývá akustická výchylka. Pro vlnu rovinnou a harmonickou šířící se ve směru souřadnicové osy X platí následující vztahy: Okamžitá hodnota akustické výchylky částice vzdálené o x od počátku rozruchu v čase t je dána vztahem, kde u 0 je amplituda akustické výchylky: u(t, x) = u 0 sin ω ( t x ) c amplituda akustického tlaku je posunuta o π/2 vzhledem k poloze amplitudy akustické výchylky

11 Stojaté vlnění vzniká skládáním dvou postupných vln jdoucích proti sobě chování vzduchových částic v Kundtově trubici vzájemné posunutí kmiten akustické výchylky a akustického tlaku o π/2

12 Princip měření rychlosti zvuku známe frekvenci zvuku f měříme vlnovou délku λ zvuku vypočítáme rychlost vlnění ze vztahu c = λf Metody měření rychlosti zvuku: ozvěna Kundtova trubice Quinckeho trubice měření pomocí akustických rezonátorů sonar

13 Kundtova trubice vlnovou délku lze určit pomocí obrazců, které utvoří díky stojatému vlnění např. korkový prášek rozsypaný v trubici vlnovou délku zvuku lze rovněž určit pomocí sondy (mikrofonu) a osciloskopu

14 Quinckeho trubice zvuk vstupuje do trubice v bodě A a dále se šíří do zvukovodů T 1 a T 2 zvuk z obou vlnovodů přichází do bodu B, kde interferuje délku ramene T 1 lze plynule měnit měříme posunutí ramene T 1 a sledujeme, kdy nastávají interferenční maxima a minima určíme vlnovou délku zvuku

15 Měření rychlosti zvuku s užitím akustických rezonátorů výšku hladiny (a tím výšku vzduchového sloupce) v akustickém rezonátoru lze plynule měnit ladičkou (zdrojem zvuku známé frekvece) rozechvějeme sloupec vzduchu v akustickém rezonátoru rezonance u otevřeného akustického rezonátoru nastává, když je výška vzduchového sloupce rovna lichému násobku čtvrtvln

16 Použití ultrazvukového sonaru promenliva vzdalenost mezi vysilacem prijimacem vysilac prijimac tonovy generator s moznosti modulace signalu osciloskop zesilovac 44 khz Ch1 Ch2

17 Reference [1] Technická fysika Prof. Dr. Zd. Horák, Doc. Ing. Dr. Fr. Krupka, Ing. Dr. V. Šindelář; SNTL, Praha, 1961 [2] Základy fyzikálních měření Prof. RNDr. Jaromír Brož a kolektiv; SPN, Praha, 1983 [3] Dějiny fyziky Laue M.; Orbis, Praha, 1959 [4] Co víte o dějinách fyziky Malíšek V.; Horizont, Praha, 1986