1. ВИЗНАЧЕННЯ ДОВЖИНИ ЗВУКОВОЇ ХВИЛІ ТА ШВИДКОСТІ
ПОШИРЕННЯ ЗВУКУ В ПОВІТРІ МЕТОДОМ РЕЗОНАНСУ
Мета роботи: ознайомитися з явищем виникнення стоячих звукових хвиль,
визначити довжину звукової хвилі та швидкість поширення звуку в повітрі.
Обладнання: труба з рухомим поршнем, комп’ютер з пакетом програм
WaveTools Version 1.0, телефон, мікрофон, вимірювальна лінійка.
Теоретичні відомості
Процес поширення коливань у будь-якому середовищі називається
a
хвилею. У результаті поширення хвилі частки, які утворюють середовище,
здійснюють коливання біля положення рівноваги. Якщо коливання окремих
часток відбуваються в напрямку поширення хвилі, хвиля називається
.u
поздовжньою. Якщо ж коливання часток відбуваються в площині, що
перпендикулярна до напрямку поширення хвилі, хвиля називається
поперечною. Поперечні й поздовжні хвилі описуються однаковими рівняннями:
x
y = A ⋅ cos ω ⎛ t − ⎞ ,
⎜ ⎟
ho ⎝ ν⎠
де y – зміщення коливної точки, А – величина найбільшого відхилення від
положення рівноваги, що називається амплітудою коливання; величина
x x
ω ⎛ t − ⎞ , що стоїть під знаком косинуса, – фаза коливання; стала ω –
⎜ ⎟
⎝ ν⎠ ν
початкова фаза коливання (значення фази в момент часу t = 0 ).
b.
Число коливань в одиницю часу називається частотою коливання f.
Очевидно, що частота f пов’язана із тривалістю одного коливання Т
співвідношенням
1
f = .
la
T
Якщо в середовищі поширюється одночасно декілька хвиль, то коливання
часток виявляються геометричною сумою коливань, які здійснювали б частки
при поширенні кожної із хвиль окремо. Це твердження називається принципом
суперпозиції (накладання) хвиль.
pc
У випадку, коли коливання, обумовлені окремими хвилями, в кожній
точці середовища мають постійну в часі різницю фаз, хвилі називаються
когерентними. Очевидно, що когерентними можуть бути лише хвилі, що мають
однакову частоту.
При додаванні когерентних хвиль виникає явище інтерференції, яке
полягає в тому, що коливання в одних точках підсилюють, а в інших
послабляють один одного.
Цікавий випадок інтерференції спостерігається при накладенні двох
зустрічних хвиль із однаковою амплітудою й різницею фаз, що дорівнює π 2 .
Коливальний процес, що виникає в результаті цього, називається стоячою
хвилею. Практично стоячі хвилі виникають при відбитті хвиль від перешкод.
© Я.Ю. Дима, 2011 http://pclab.ho.ua

2. Падаюча на перешкоду хвиля (рис. 1, 1) та біжуча їй назустріч відбита
(рис. 1, 2), накладаючись одна на одну, утворюють стоячу хвилю. Стоячі хвилі
характеризуються точками, в яких коливання відсутні (точки А на рис. 1), –
вузлами, і точками, амплітуда коливань у яких максимальна (точки В на
рис. 1) – пучностями.
a
.u
Рис. 1. Хвиля поширюється вздовж вісі x, вздовж вісі y відкладають величину зсуву точок.
Коливання в усіх точках стоячої хвилі, що лежать між двома сусідніми
вузлами, відбувається з різними амплітудами, але однаковими фазами. Відстань
ho
між сусідніми вузлами або пучностями називається довжиною стоячої хвилі
( λст ). Довжина біжучої хвилі пов’язана з λст співвідношенням:
λ = 2λст . (1)
Опис експериментальної установки
b.
Вимірювання проводяться за допомогою комп’ютера, до звукової карти
якого підключені телефон та мікрофон, програмного забезпечення, яке емулює
роботу звукового генератора та осцилографа, та труби з рухомим поршнем
(рис. 2). З виходу звукової карти сигнал синусоїдальної форми, згенерований
la
програмою-емулятором, подається на телефон, що встановлений впритул до
відкритого отвору труби. Інший її отвір закритий поршнем, який може
переміщуватися, змінюючи довжину стовпа повітря в трубі. Звукова хвиля у
трубі утворюється в обмеженому з обох боків стовпі повітря з хвилі, що
pc
випромінюється телефоном у трубу, і відбитої від торця поршня, фаза якої
змінилася на обернену, оскільки відбиття відбувається від акустично
щільнішого середовища. При певних умовах у трубі виникає резонанс.
Рис. 2. Схема експериментальної установки: 1 – труба, 2 – поршень, 3 – вимірювальна
лінійка. Телефон, мікрофон та спосіб їх підключення позначені елементом електричної
схеми.
© Я.Ю. Дима, 2011 http://pclab.ho.ua

3. Резонанс – це явище зростання амплітуди вимушених коливань у
коливальній системі при наближенні частоти зовнішньої сили, що збуджує
вимушені коливання, до будь-якої з власних частот коливань даної коливальної
системи.
У даному випадку маємо акустичний резонанс, тобто явище, при якому
коливання стовпа повітря в трубі досягають максимальної амплітуди. Це
відбувається тоді, коли частота звукових коливань мембрани телефону
(зовнішня сила) дорівнює одній з власних частот коливань повітряного стовпа в
трубі. Ця частота називається резонансною частотою. При резонансній частоті
гучність звучання повітряного стовпа в трубі максимальна.
Мікрофон розташовується поряд з телефоном і підключається до
a
мікрофонного входу звукової карти комп’ютера. Сигнал, що вловлює мікрофон,
відображується на екрані емулятора осцилографа. При переміщенні поршня в
трубі далі від телефону на екрані осцилографа спостерігаються почергово вузли
.u
стоячої хвилі, коли амплітуда коливань зменшується майже до нуля, та
пучності, коли амплітуда синусоїди значно збільшується. Відстань між
сусідніми пучностями, яка і є довжиною стоячої хвилі, вимірюється лінійкою за
положенням ручки поршня.
ho
Знайшовши з (1) довжину звукової хвилі λ, та знаючи її частоту
(задається у програмі-емуляторі звукового генератора), можна визначити
швидкість поширення хвилі в повітрі:
c=λ f . (2)
Порядок виконання роботи
b.
1. Перемістити поршень до кінця в напрямку джерела звуку – телефону.
2. Вимірювальну лінійку розмістити впритул до отвору труби, який
закритий поршнем.
la
3. Перевірити настройки звукової карти комп’ютера.
Якщо на панелі задач відображується значок регулятора гучності,
наведіть на нього курсор, викличте контекстне меню натисненням правої
кнопки миші та виберіть пункт «Настройка аудиопараметров». У вікні
«Свойства: Звуки и аудиоустройства» на закладці «Громкость» натисніть
pc
кнопку «Дополнительно». У пункті меню «Параметры» вікна, що з’явилося,
виберіть «Свойства».
© Я.Ю. Дима, 2011 http://pclab.ho.ua

4. a
Рис. 3
При обраному за замовченням пункті «Воспроизведение» слід
.u
пересвідчитись, щоб у полі «Отображать регуляторы громкости» були
відмічені «Громкость» та «Звук» (рис. 3) і натиснути кнопку «OK». У вікні
«Громкость», яке відображує мікшер звукового пристрою (рис. 4), встановіть
два перших повзунки зліва («Громкость» та «Звук») у крайнє верхнє
ho
положення (максимальна гучність); перевірте, щоб біля написів «Выкл. все» та
«Выкл.» відповідно не був встановлений прапорець. Переконайтесь, що
повзунки «Баланс» обраних пристроїв встановлені у середнє положення. Решту
пристроїв бажано відключити (поставити прапорці біля напису «Выкл.»).
b.
la
Рис. 4
Далі знову оберіть «Свойства» пункту меню «Параметры». Відмітивши
pc
пункт «Запись» (рис. 5), переконайтесь, що на панелі «Отображать
регуляторы громкости» обрано «Микрофон» і натисніть кнопку «OK».
© Я.Ю. Дима, 2011 http://pclab.ho.ua

5. a
Рис. 5
У вікні, що з’явилося (рис. 6), поставте прапорець біля напису
«Выбрать» на панелі «Микрофон» та встановіть відповідний повзунок у крайнє
.u
верхнє положення (максимальна чутливість мікрофонного входу звукової
карти). Решта пристроїв відключаться автоматично. Переконайтесь, що
повзунок «Баланс» даного пристрою встановлений у середнє положення. Тепер
можна закрити всі вікна настройки аудіопараметрів.
ho
b.
Рис. 6
Якщо значок регулятора гучності на панелі задач відсутній, слід перейти
la
до панелі керування («Пуск» → «Настройка» → «Панель управления») та
відкрити «Звуки и аудиоустройства». Далі виконати дії описані вище.
4. Запустити програми Signal Generator (емулятор звукового генератора)
та Oscilloscope (осцилограф) з пакету програм WaveTools Version 1.0.
pc
5. У робочому полі програми Signal Generator вибрати синусоїдальну
форму сигналу – Sine (рис. 7, 1), частоту f, яку вкаже викладач (рис. 7, 2),
максимальну гучність звуку – 0 дБ (рис. 7, 3) та натиснути кнопку «On». При
правильному виконанні вказівок пункту 3 телефон почне випромінювати звук.
Рис. 7. Програма-емулятор звукового генератора
© Я.Ю. Дима, 2011 http://pclab.ho.ua

6. 6. Натиснути кнопку «Run» вікна програми Oscilloscope. У робочому
полі програми-емулятора встановити такий масштаб по вертикальній вісі
(амплітуда) (рис. 8, 1), щоб на екрані емулятора осцилографа розмах синусоїди
у початковому положення поршня становив від третини до половини екрану
«приладу». Масштаб по горизонтальній вісі (час) (рис. 8, 2) вибрати так, щоб на
екрані відображувалися 4-5 періодів коливань. Оскільки використовується
лише один канал, зі списку 3 на рис. 8 слід вибрати Ch. 1 або Ch. 2.
Переміщуючи відповідний обраному каналу повзунок (рис. 8, 4), встановити
відображуваний сигнал посередині екрана емулятора осцилографа.
a
.u
Рис. 8. Програма-емулятор електронного осцилографа
ho
7. Повільно та рівномірно переміщуючи поршень далі від телефону,
фіксувати точки різкого зростання амплітуди на екрані емулятора осцилографа
та на слух. За допомогою лінійки за положеннями ручки поршня визначити
відстань між кожною парою сусідніх максимумів (пучностей) – довжину
стоячої хвилі λст .
8. Довжину звукової хвилі λ визначити за формулою (1).
b.
9. За формулою (2) визначити швидкість звуку в повітрі .
γ RT
10. Виміряти температуру повітря в аудиторії та за формулою c =
μ
розрахувати теоретичне значення швидкості звуку.
la
11. Результати вимірювань та обчислень записати в табл. 1.
Таблиця 1
Експеримент Розрахунок
Номери сусідніх м м м
pc
f, Гц λст , м λ, м Δλ, м с, Δс, Т, °С с,
пучностей с с с
M
Середні
значення
12. Обчислити абсолютні похибки вимірювань λ та с. Кінцевий результат
записати у вигляді: λ = λсер ± Δλсер , с = ссер ± Δссер .
13. З урахуванням абсолютної похибки порівняти експериментальне та
розрахункове значення швидкості поширення звукової хвилі в повітрі.
© Я.Ю. Дима, 2011 http://pclab.ho.ua

7. Контрольні питання
1. Дайте визначення періоду, амплітуди, частоти й фази коливань.
2. Як утворюється стояча хвиля? Назвіть її основні характеристики.
3. Чим стояча хвиля відрізняється від біжучої?
4. Чому процес поширення звукової хвилі є адіабатичним?
5. Як у даній роботі вимірюється довжина звукової хвилі?
6. Виведіть рівняння стоячої хвилі.
7. Що називається дисперсією хвиль?
8. Що ви розумієте під явищем резонансу?
a
Література
.u
1. Горелик Г.С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и
оптику. — М. : Физматлит, 1959. — 572 с.
2. Загальна фізика: Лабораторний практикум: Навчальний посібник / В.М.
Барановський, В.П. Бережний, І.Т. Горбачук та ін.; За заг. ред.
ho
І.Т. Горбачука. — К.: Вища школа, 1992. — 509 с.
b.
la
pc
© Я.Ю. Дима, 2011 http://pclab.ho.ua