Ежедневно каждый из нас, людей, подвергается воздействию множества факторов. Это запахи, тепловое воздействие, излучение различных приборов, и, конечно, звуки. Звуки окружают нас повсюду, зачастую мы не можем их выбирать – шум проезжающих машин, работ на стройке, чья-то речь или навязчивая музыка. Каждый из звуков несёт в себе определённую информацию и человек по-разному реагирует на них. Поэтому изучение природы звука – один из важных и занимательных частей физики. При изучении механических волн их, возможно, представить наглядно, а звуковые волны представляют как абстрактную модель.
Звуковые волны – это колебания частиц воздуха, которые распространяются во все стороны от места возникновения звука.
Теория звука гласит: если какое-либо физическое тело совершает колебательные движения – струна гитары, голосовая связка, упругая пластина из металла – неважно что, оно будет распространять вокруг себя такие же колебания.
Нас заинтересовал вопрос, действительно ли, звуковая волна имеет волнообразную форму, а если это так, то как это представить наглядно?
Решение отображения звуковой волны в реальности мы нашли в опыте немецкого физика-экспериментатора Генриха Рубенса под названием «Труба Рубенса».
Волны
Волна – возбуждение среды, распространяющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве с переносом энергии и без переноса массы. Другими словами, волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины – например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры.
Волны бывают разных видов:
- если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной;
- если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной.
Как в поперечных, так и в продольных волнах переноса вещества в направлении распространения волны не происходит.
В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой. Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных). Существуют волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны). Для механических волн обязательно нужна среда, обладающая способностью запасать кинетическую и потенциальную энергию. Следовательно, среда должна обладать инертными и упругими свойствами. В реальных средах эти свойства распределены по всему объему. Так, например, любой малый элемент твердого тела обладает массой и упругостью.
Значительный интерес для практики представляют простые гармонические или синусоидальные волны. Они характеризуются амплитудой (A) колебаний частиц, частотой (f) и длиной волны (?).
Длиной волны -называют расстояние между двумя соседними точками на оси OX, колеблющимися в одинаковых фазах.
Расстояние, равное длине волны ?, волна пробегает за время равное периоду колебаний (Т), следовательно, = T, где – скорость распространения волны.
Звук – физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде.
Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение – звуковым давлением.
Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.
В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.
Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.
Стоячие волны
Стоячая волна – колебания в распределённых колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов и минимумов амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом, крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. Так же стоячей волной называется волна, образующаяся в результате наложения двух бегущих синусоидальных волн, которые распространяются навстречу друг другу и имеют одинаковые частоты и амплитуды, а в случае поперечных волн еще и одинаковую поляризацию. Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе.
Стоячие волны образуются при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград.
Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения.
В случае гармонических колебаний в одномерной среде стоячая волна описывается формулой u = u0cos kx cos(?t – ), где u – возмущения в точке х в момент времени t, u0 – амплитуда стоячей волны, – частота, k – волновой вектор, ? – фаза.
Стоячие волны являются решениями волновых уравнений. Их можно представить себе как суперпозицию волн, распространяющихся в противоположных направлениях [4].
При существовании в среде стоячей волны, существуют точки, амплитуда колебаний в которых равна нулю. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки, в которых колебания имеют максимальную амплитуду, называются пучностями.
Физический опыт
Джон Ле Конт (John Le Conte) открыл чувствительность пламени к звуку в 1858 году. В 1862 году Рудольф Кёниг показал, что высоту пламени можно менять, посылая звук в источник газа, и изменения во времени могут быть отображены при помощи вращающихся зеркал. Август Кундт в 1866 году, продемонстрировал акустические стоячие волны, помещая семена плауна или корковую пыль в трубу. Когда в трубу был запущен звук, то из семян сформировались узлы (точки, где амплитуда минимальна) и пучности (анти-узлы – области, где амплитуда максимальна), сформированные стоячей волной. Позже, уже в XX веке, Бен (Behn) показал, что маленькое пламя может служить чувствительным индикатором давления. Наконец, в 1904 году, используя эти два важных эксперимента, Генрих Рубенс, в чью честь назвали этот эксперимент, взял 4-метровую трубу, просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2 см и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков примерно одинакова по всей длине трубы), он заметил, что звук, подведённый к концу трубы, создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука. Кригар – Менцель (O. Krigar – Menzel) помогал Рубенсу с теоретической стороной явления [3].
Генрих Рубенс – немецкий физик-экспериментатор, автор научных трудов по оптике, спектроскопии, физике теплового излучения.
Труба Рубенса – физический эксперимент по демонстрации стоячей волны, основанный на связи между звуковыми волнами и давлением воздуха (или газа).
Рис. 1. Генрих Рубенс
Мы повторили физический опыт Рубенса. Для этого нам потребовалось: метровая металлическая труба, звуковой динамик, баллончик с газом (пропан).
В металлической трубе были просверлены отверстия диаметром 1,4 мм через каждый сантиметр. К трубе с одной стороны был подведен газ, а с другой звуковой динамик. Все элементы соединены герметично, для того что бы исключить просачивание газа.
Изменяя количество подаваемого газа и уровень звука, добились волнообразной картинки.
Мы выяснили, что если использовать звук с постоянной частотой, то в пределах трубы может сформироваться стоячая волна из огоньков. Это вызвано тем, что когда динамик включен, в трубе формируются области повышенного и пониженного давления. Там, где область повышенного давления, через отверстия просачивается больше газа и высота пламени больше и наоборот. Благодаря этому можно измерить длину волны просто измеряя линейкой расстояние между пиками.
Сравним теоритические и практические значения длины волны.
Напомним, что длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Рассчитывать длину волны мы будем по формуле:
,
где – скорость движения звуковой волны, v – частота.
700 Гц
800 Гц
900 Гц 1000 Гц
Рис. 2
Так как у нас в трубе находиться пропан, то скорость движения звука будет рассчитываться по формуле:
,
где показатель адиабаты (для многоатомных газов показатель адиабаты равен 4/3), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль•К), T = 273 К, так как опыт проводился при нормальных условиях, молярная масса пропана равна 44,1•10-3 кг/моль.
Подставить все значения в формулу расчета скорости звука в газе получим:
.
По результатам измерений и расчетов составим таблицу.
Во время вычислений возможны погрешности, возникающие во время округления. Так же газ пропан, использовавший в опыте, мог содержать примеси, температура газа во время опыта могла изменяться, неточность отверстий в трубе.
|
№ п/п |
f (Гц) |
(см) |
(см) |
|
1 |
700 |
37,4 |
37 |
|
2 |
800 |
32,75 |
32,2 |
|
3 |
900 |
29,1 |
29,5 |
|
4 |
1000 |
26,2 |
25 |
Заключение
Благодаря опыту Рубенса стало возможным представление звуковой волны на реальном примере, тем самым стало возможно доказательство теорем и гипотез, основываясь на практике.
Так же, опыт с трубой Рубенса возможно применять в школах на уроках физики для более наглядного представления звуковой волны, с соблюдением всех требований техники безопасности.
Библиографическая ссылка
Никитина Ж.Ю., Никитин Д.С., Тугушева З.М. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН. ТРУБА РУБЕНСА // Старт в науке. – 2016. – № 1. ;URL: https://science-start.ru/ru/article/view?id=21 (дата обращения: 18.04.2024).