Актуальность проекта. Звуки окружают нас повсюду. В природе существует бесконечное множество различных звуков. 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, в основном, звуковую волну представляли как абстрактную модель. Поэтому исследования природы звуковых волн всегда актуальны. Решение визуального отображения звуковой волны в реальности я нашёл в опыте немецкого физика-экспериментатора Генриха Рубенса под названием «Труба Рубенса».
Цель проекта: определение длины звуковой волны по заданной частоте.
Задачи проекта: 1. провести теоретическое исследование явления стоячей волны; 2. сконструировать индикатор звукового давления, позволяющий визуально наблюдать данное явление и определять длину волны по заданной частоте.
Методы конструкторско-исследовательской работы: теоретический (изучение теории явления образования стоячей волны; установление хронологии открытий, связанных с явлением стоячих волн);
эмпирический (конструирование индикатора звукового давления и определение длины звуковой волны).
Продукт проекта (форма защиты): сконструировать визуальный индикатор давления (трубу Рубенса); представление и защита устройства на республиканской выставке-конкурсе технических проектов школьников и студентов «Технотворчество Хакассии».
Для решения поставленных задач проекта предлагалось провести теоретическое исследование явления стоячей волны, а затем сконструировать индикатор давления, позволяющий визуально наблюдать явление стоячих волн и определять частоту по наблюдаемой длине волны.
Проведенное теоретическое исследование позволило установить хронологию открытий явлений, связанных со стоячими волнами:
1802 год – Т. Юнгом проведен «опыт с двумя отверстиями», позволивший открыть принцип интерференции;
1858 год – Джон Ле Конт открыл чувствительность пламени к звуку;
1862 год – Рудольф Кёниг показал зависимость высоты пламени от посылаемого звука в источник газа;
1866 год – Август Кундт продемонстрировал акустические стоячие волны, поместив мелкие пробковые опилки в стеклянную трубу (при создании звуковой волны в трубе из опилок сформировались кучки, отстоящие на равных расстояниях);
1901 год – Бен провел эксперимент, показывающий, что маленькое пламя может служить чувствительным индикатором давления;
1904 год – Генрих Рубенс, используя эти два эксперимента, просверлил в четырехметровой трубе 200 маленьких отверстий с шагом 2 см, и заполнил горючим газом (после поджигания пламени звук, подведённый к концу трубы, создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука, рис. 1).
Рис. 1. Трубка Рубенса по демонстрации визуальных акустических стоячих волн. 1 – баллон с газом, 2 – клапан, 3 – металлическая трубка с отверстиями, 4– мембрана, 5 – громкоговоритель, 6 – тон-генератор
Теоретическое обоснование явления стоячих волн. Две волны, приходящие в какую-либо точку пространства, обладают постоянной разностью фаз, такие волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции. Интерференция наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград. Образование узла связано с тем, что волна, отражаясь от более плотной среды, меняет фазу на противоположную, происходит сложение колебаний противоположных направлений, в результате чего получается узел (рис. 2).
Рис. 2. Вид стоячей волны с образованными пучностями и узлами
Теоретическое значение проведенного исследования состоит в изучении явления стоячей волны и выявлении зависимости длины волны от заданной частоты.
Конструирование визуального индикатора давления (трубы Рубенса). Для визуального наблюдения стоячей волны был сконструирован индикатор, работа которого основана на связи между звуковыми волнами и давлением газа (рис. 3).
Рис. 3. Ян Пухаев со сконструированным индикатором визуального наблюдения стоячей волны
Конструирование осуществлялось в следующей последовательности:
1. отрезок трубы был перфорирован по всей длине и запечатан с обоих концов;
2. один конец подключается к динамику, а второй — к источнику горючего газа (баллону с пропаном);
3. включается динамик.
Труба заполняется горючим газом, который просачиваясь через отверстия, горит (рис. 4). При использовании постоянной частоты в пределах трубы формируется стоячая волна. Когда динамик включен, в трубе формируются области повышенного и пониженного давления. Там, где благодаря звуковым волнам находится область повышенного давления, через отверстия просачивается больше газа и высота пламени больше. Визуализация стоячей волны позволяет измерить при помощи линейки длину волны (расстояние между пиками).
Рис. 4. Визуализация стоячей волны при помощи сконструированного индикатора давления
С помощью созданного визуального индикатора давления реализована задача измерения длины волны (расстояние между пиками).
Теоретические значения длины волны получены по формуле:
где θ– скорость движения звуковой волны, υ – частота. В трубе у меня находился пропан. Скорость движения звука в газе рассчитана по формуле:
где γ – показатель адиабаты (для многоатомных газов показатель адиабаты равен 4/3), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж?(моль•К).
Опыт проводился при температуре 200 С, поэтому T=293 К. Молярная масса пропана 44,1 10-3 кг/моль. Подставив значения в формулы, определили, что скорость движения звука в пропане равна 271 м/с.
Для подачи сигнала определённых частот на визуальный индикатор использовалась программа – генератор звуковых частот [].
Результаты измерений и расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты измерений
|
№ п/п |
υ, Гц |
λ теоретическая |
λ практическая |
|
1 |
2000 |
0,136 м |
0,142 м |
|
2 |
5000 |
0,0542 м |
0,0556 м |
|
3 |
10000 |
0,0271 м |
0,0281 м |
|
4 |
20000 |
0,0136 м |
0,0142 м |
Отклонение значений теоретических и эмпирических объясняется погрешностями, возникающими при округлении значений и возможно пропан, использовавший в опыте, мог содержать примеси и, в таком случае, температура газа во время опыта могла измениться.
Заключение. При реализации проекта решены задачи: проведено теоретическое исследование явления стоячей волны; сконструирован индикатор звукового давления, позволяющий визуально наблюдать данное явление, работа которого основана на связи между звуковыми волнами и давлением газа. Решение задач позволило достигнуть цели – определена длина звуковой волны по заданной частоте. Данные, полученные в ходе эксперимента достаточно точны. Благодаря опыту Рубенса стало возможным визуальное представление звуковой волны.
Практическое значение проведенного исследования состоит в конструировании индикатора давления, позволяющего визуально наблюдать данное явление и определять длину волны по заданной частоте. Кроме этого, я убедился, что исследование почти всегда требует эксперимента. В отличие от обычного наблюдения в ходе эксперимента исследователь активно вмешивается в протекание изучаемого процесса с целью получить о нем определенные знания. Познавательная роль эксперимента велика не только в том отношении, что он дает ответы на ранее поставленные вопросы, но и в том, что в ходе его возникают новые проблемы, решение которых требует проведения новых опытов и создания новых экспериментальных установок. Перспективное направление развития проекта: конструирование плоскостного визуализатора звукового давления(2D) и тороида звукового давления.
Библиографическая ссылка
Пухаев Я.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ СТОЯЧИХ ВОЛН И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОГО ИНДИКАТОРА ДАВЛЕНИЯ // Старт в науке. – 2017. – № 1. ;URL: https://science-start.ru/ru/article/view?id=560 (дата обращения: 24.04.2024).