Цель работы : определение длины стоячей волны и скорости звука в воздухе.

Приборы и принадлежности: резонатор с телефоном и микрофоном, звуковой генератор, осциллограф, отсчетная линейка.

Теоретическое введение

Звук представляет собой упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях и твердых телах и воспринимаемые ухом человека и животных. Человеческое ухо способно воспринимать звук с частотами от 16 Гц до 20 кГц. Звук с частотами ниже 16 Гц называется инфразвуком, а выше 20 кГц – ультразвуком. Наука о звуке называется акустикой.

Если в упругую среду поместить источник колебаний, то соприкасающиеся с ним частицы будут выведены из положения равновесия и придут в колебательное движение. Колебания этих частиц передаются силами упругости соседним частицам среды, а от них – к другим, более удаленным от источника колебаний. Через некоторое время колебательный процесс охватит всю среду. Распространение колебаний в упругой среде называется волной или волновым процессом.

Различают продольные волны (частицы колеблются вдоль направления распространения волны) и поперечные волны (частицы колеблются перпендикулярно этому направлению). Продольные волны представляют собой чередующиеся сгущения и разрежения. Такие волны распространяются в средах, в которых возникают силы упругости при деформациях сжатия и растяжения, но не обладающих напряжением сдвига (т.е. в твердых телах, жидкостях и газах). Примером продольных волн являются звуковые волны. Поперечные волны распространяются в средах, в которых возникают упругие силы при деформации сдвига (т.е. в твердых телах или в некоторых особых случаях, например, волны на границе раздела жидкость-газ). Скорость распространения продольных и поперечных волн зависит от упругих свойств среды. Так, при 20 ºС скорость звука в воздухе равна 343 м/c, в воде – 1480 м/c, в стали – около 6000 м/c.

Скорость звука в газах теоретически можно рассчитать по формуле:

где  – показатель адиабаты (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме), R – молярная газовая постоянная, Т – термодинамическая температура, М – молярная масса газа. Таким образом, скорость звука в газах оказывается такого же порядка, что и средняя скорость теплового движения молекул.

Уравнение бегущей волны, распространяющейся вдоль координаты x , имеет вид:

 = A cos(t – kx ), (2)

где  – смещение частиц среды от положения равновесия; А – амплитуда волны;  – циклическая частота колебаний; t – время; k – волновое число,
( – длина волны).

Стоячей волной называется особое колебательное состояние среды, возникающее при наложении двух встречных бегущих волн (например, прямой и отраженной) одинаковой амплитуды и частоты. Стоячая волна – это частный случай интерференции волн.

Рассмотрим сложение двух встречных волн с одинаковой амплитудой и частотой. Прямая волна описывается уравнением

 1 = A cos(t – kx ), (3)

в уравнении отраженной волны координата x меняет знак на противоположный:

 2 = A cos(t + kx ). (4)

Сложим уравнения (3) и (4):

 =  1 +  2 = A cos(t – kx ) + A cos(t + kx )

и, воспользовавшись формулой для суммы косинусов двух углов, получим уравнение стоячей волны:

 = 2A cosx cost . (5)

Выражение, стоящее перед cost , представляет собой амплитуду стоячей волны:

А ст. в. =  2A cosx . (6)

Амплитуда колебаний частиц среды в стоячей волне зависит от координаты частиц x и, следовательно, меняется от точки к точке. Амплитуда стоячей волны максимальна (такие геометрические места называются пучностями) при условии

cosx =  1,

x =  n , (7)

откуда координаты пучностей

x пучн =  . (8)

Амплитуда стоячей волны принимает нулевые значения (такие точки называются узлами) при условии

cosx = 0,

x =  (2n + 1), (9)

откуда координаты узлов

x узл = 
. (10)

В формулах (7) – (10) n = 0, 1, 2, 3 … . Расстояние между соседними узлами или соседними пучностями равно/2, а соседние узлы и пучности сдвинуты на/4. Точки, находящиеся в узлах, не совершают колебаний.

Расстояние между двумя смежными узлами или пучностями называется длиной стоячей волны. Следовательно, длина стоячей волны равна половине длины бегущей волны:

 ст = . (11)

Построим график стоячей волны. По уравнению (5) рассчитаем смещения  для фиксированных моментов времени t = 0, T /8, T /4, 3T /8, T /2. В каждое из получившихся уравнений  = f (x ) подставим координаты x = 0, /4, /2, 3/4, , 5/4… . Результаты расчетов приведены ниже.

Полученные зависимости  = f (x ) изображены на рис. 1 и представляют собой своего рода «мгновенные фотографии» стоячей волны.

Стоячая волна имеет следующие особенности:

амплитуда колебаний частиц различна в разных местах среды;

в пределах участка среды от одного узла до другого все частицы колеблются в одной фазе, при переходе через узел фаза колебаний меняется на противоположную;

в отличие от бегущей волны она не переносит энергию.

Для многих даже спустя годы после окончания школы остается неизвестным, какова же на самом деле скорость звука в воздухе. Кто-то невнимательно слушал преподавателя, а кто-то просто не до конца понял излагаемый материал. Что ж, быть может, настало время восполнить этот пробел в знаниях. Сегодня мы не просто укажем «сухие» цифры, а поясним сам механизм, определяющий скорость звука в воздухе.

Как известно, воздух представляет собой совокупность различных газов. Немногим более 78% приходится на азот, почти 21% занимает кислород, оставшаяся часть представлена углекислым и Следовательно, речь пойдет о скорости распространения звука в газовой среде.

Сначала давайте определимся, Наверняка многие слышали высказывание «звуковые волны» или «звуковые колебания». Действительно, например, диффузор звуковоспроизводящей колонки колеблется с определенной частотой, которая классифицируется слуховым аппаратом человека как звук. Один из законов физики гласит, что давление в газах и жидкостях распространяется без изменения во всех направлениях. Отсюда следует, что в идеальных условиях скорость звука в газах равномерна. Разумеется, в действительности имеет место ее естественное затухание. Нужно запомнить эту особенность, так как именно она объясняет, почему скорость может изменяться. Но это мы немного отвлеклись от главной темы. Итак, если звук - это колебания, то что именно колеблется?

Любой газ - это совокупность атомов определенной конфигурации. В отличие от твердых тел, между атомами в них относительно большое расстояние (по сравнению, например, с кристаллической решеткой металлов). Можно привести аналогию с горошинами, распределенными по емкости с желеобразной массой. колебаний сообщает импульс движения ближайшим атомам газа. Они в свою очередь, подобно шарам на бильярдном столе, «ударяют» по соседним, и процесс повторяется. Скорость звука в воздухе как раз и определяет интенсивность импульса-первопричины. Но это лишь одна составляющая. Чем плотнее расположены атомы вещества, тем выше скорость распространения звука в нем. К примеру, скорость звука в воздухе почти в 10 раз меньше, чем в монолитном граните. Это очень легко понять: чтобы атом в газе мог «долететь» до соседнего и передать ему энергию импульса, ему необходимо преодолеть определенное расстояние.

Следствие: с увеличением температуры скорость распространения волн повышается. Несмотря на собственная скорость атомов выше, они хаотично двигаются и чаще соударяются. Также верно, что сжатый газ проводит звук намного быстрее, но чемпионом все-таки является сжиженное В расчетах скорости звука в газах учитываются начальная плотность, сжимаемость, температура и коэффициент (газовая постоянная). Собственно, все это следует из вышесказанного.

Все-таки какова скорость звука в воздухе? Многие уже догадались, что невозможно дать однозначный ответ. Приведем лишь некоторые основные данные:

При нуле на нулевой точке (уровень моря) скорость звука составляет около 331 м/с;

Снизив температуру до - 20 градусов Цельсия, можно «замедлить» звуковые волны до 319 м/с, так как изначально атомы в пространстве движутся медленнее;

Повышение же ее до 500 градусов ускоряет распространение звука почти в полтора раза - до 550 м/с.

Однако приведенные данные ориентировочны, так как кроме температуры на способность газов проводить звук влияет также давление, конфигурация пространства (помещение с предметами или открытая площадь), собственная подвижность и т.д.

В настоящее время свойство атмосферы проводить звук активно исследуется. К примеру, один из проектов позволяет посредством регистрации отраженного (эха) определять температуру слоев воздуха.

В статье рассмотрены характеристика звуковых явлений в атмосфере: скорость распространения звука в воздухе, влияние на распространение звука ветра, тумана.
Продольные колебания частиц материи, распространяясь по материальной среде (по воздуху, воде и твердым телам) и достигнув уха человека, вызывают ощущения, называемые звуком.
В атмосферном воздухе всегда находятся звуковые волны различной частоты и силы. Часть этих волн создается искусственно человеком, а часть звуков имеет метеорологическое происхождение.
К звукам метеорологического происхождения относятся гром, завывание ветра, гудение проводов, шум и шелест деревьев, «голос» моря, звуки при падении на земную поверхность твердых и жидких осадков, звуки прибоя у берегов морей и озер и другие.
На скорость распространения звука в атмосфере влияет температура и влажность воздуха, а также ветер (направление и его сила). В среднем скорость звука в атмосфере равна 333 м/с. С увеличением температуры воздуха скорость звука несколько возрастает. Изменение абсолютной влажности воздуха оказывает меньшее влияние на скорость звука.
Скорость звука в воздухе определяется формулой Лапласа:

(1),
где р - давление; ? - плотность воздуха; c? - теплоемкость воздуха при постоянном давлении; cp - теплоемкость воздуха при постоянном объеме.
Используя уравнение состояния газа, можно получить ряд зависимостей скорости звука от метеорологических параметров.
Скорость звука в сухом воздухе определяется по формуле:
с0 = 20,1 ?Т м/с, (2)
а во влажном воздухе:
с0 = 20,1 ?ТВ м/с, (3)
где ТВ = так называемая акустическая виртуальная температура, которая определяется по формуле ТВ = Т (1+ 0,275 е/р).
При изменении температуры воздуха на 1° скорость звука изменяется на 0,61 м/с. Скорость звука зависит от величины отношения е/р (отношение влажности к давлению), но эта зависимость мала, и, например, при упругости водяного пара менее 7мм пренебрежение ею дает ошибку в скорости звука, не превышающую 0,5 м/сек.
При нормальном давлении и Т = 0 °С скорость звука в сухом воздухе равна 333 м/сек. Во влажном воздухе скорость звука может быть определена по формуле:
с = 333 + 0,6t + 0,07е (4)
В диапазоне температур (t) от -20° до +30° эта формула дает ошибку в скорости звука не более ± 0,5 м/сек. Из приведенных формул видно, что скорость звука повышается с повышением температуры и влажности воздуха.
Ветер оказывает сильное влияние: скорость звука по направлению движения ветра увеличивается, против ветра — уменьшается. Наличие ветра в атмосфере вызывает дрейф звуковой волны, что создает впечатление смещения источника звука. Скорость звука в этом случае (c1) определится выражением:
c1 = c + U cos ?, (1)
где U-скорость ветра; ? — угол между направлением ветра в точке наблюдения и наблюдаемым направлением прихода звука.
Знание величины скорости распространения звука в атмосфере имеет большое значение при решении ряда задач по изучению верхних слоев атмосферы акустическим методом. Пользуясь средней скоростью звука в атмосфере, можно узнать расстояние от своего местонахождения до места возникновения грома. Для этого нужно определить число секунд между видимой вспышкой молнии и моментом прихода звука грома. Затем надо умножить среднее значение скорости звука в атмосфере — 333 м/сек. на полученное число секунд.

С какой скоростью движется звук?

Скорость звука зависит от того, в какой среде он распространяется. Так, в воздухе звук движется со скоростью 344 м/c. Однако если температура, давление, влажность воздуха варьируют, то и скорость звука изменяется. Через жидкую среду, например воду, звук проходит со скоростью примерно 1500 м/c. Ещё быстрее звук движется сквозь твёрдые вещества: 2500 м/с – через твёрдые пластмассы, 5000 м/с – через сталь и примерно 6000 м/с – через некоторые виды стекла.

Может ли звук отражаться от предметов так же, как свет?

Звуковые волны отражаются от твёрдых, гладких и плоских поверхностей (стены, двери), как световые волны от зеркала. Если между возвращением отзвука (или отражения) и посылом оригинального звука проходит более 0,1 с, то мы слышим их как два раздельных звука, отражённый звук называется эхом. Если разница во времени между приходом отражённого эха и посылом звука меньше, то они смешиваются. Что увеличивает общую длительность звучания. Данное явление известно как реверберация.

Специальные звукопоглощающие комнаты изнутри полностью покрыты мягкими материалами определённой фактуры. Стены, потолки и пол улавливают почти всю звуковую энергию, и отражения звука не происходит ни в виде эха, ни в виде реверберации. Такие помещения называют глухими комнатами: все звуки в них приглушены.

Охотящиеся киты, например белухи, издают акустические щелчки, похожие на те, что рассылает летучая мышь. Эти импульсы отражаются как эхо, сообщая киту о расположенных рядом объектах.

Измерим звук

Скорость в соответствии с числом Маха

Некоторые самолёты могут летать со скоростью выше скорости звука, по шкале Маха она соответствует числу М=1. Вокруг летящего сверхзвукового самолёта образуется волна сжатия, которая распространяется в виде громкого глубокого глухого удара, известного как звуковой (когда самолёт преодолевает звуковой барьер). Удар мог бы выдать присутствие самолёта-невидимки «Стелс», бомбардировщика Б-2, поэтому такие самолёты обычно летают со скоростью чуть меньше числа М=1.

Крейсерская скорость Б-2 – примерно 700 км/ч.

Число Маха

Скорость звука можно описать по шкале Маха. Единицу измерения представляют в виде сравнительного числа отношения скорости самолёта к скорости звука в определённых условиях. Число Маха названо так по имени австрийского учёного Эрнста Маха (1838-1916).

Скорость звука в воздухе при температуре 20 градусов и стандартном давлении воздуха на уровне моря соответствует примерно 1238 км/ч. Поэтому предмет, двигающийся так же быстро, имеет скорость М=1 в числах Маха.

Очень высоко над землёй, где температура и давление воздуха ниже обычных, скорость звука составляет 1062 км/ч. Поэтому число Маха 1,5 там соответствует 1593 км/ч.

10 дБ – самые тихие звуки, которые может уловить наш слух, например тиканье часов

20 дБ – шёпот

40 дБ – спокойная беседа окружающих людей

50 дБ – телевидение или радио в среднем звуковом диапазоне

60 дБ – достаточно громкая беседа

70 дБ – домашние приборы: пылесос или домашний комбайн

80 дБ – поезд, проезжающий мимо станции

100 дБ – очень шумный станок или отбойный молоток для дорожных работ

120 дБ – взлетающий реактивный самолёт

По шкале децибелов каждый разрыв в 10 дБ означает 10-кратное увеличение энергии. Например, 60 дБ – звук, в десять раз более сильный, чем 50 дБ.