2. Акустика

Акустикою називають вчення про звук. Звуком називають будь-які пружні хвилі. Людина з нормальним слухом здатна сприймати звуки в інтервалі частот (16 – 20000) Гц. Звуки з частотою <16 Гц називають інфразвуками, а вище 20000 Гц – ультразвуками. При частотах коливань >10⁹ Гц говорять про гіперзвук. Ці коливання нічим не відрізняються від коливань атомів, що викликають броунівський рух. На частотах >10¹² Гц довжина хвилі співмірна з міжмолекулярними відстанями, тому говорити про поширення звуку не можна.

Звук переносить енергію коливань. Середнє за період коливань значення густини енергії пропорційне до квадратів амплітуди та частоти:

. (6)

Середню енергію, що переноситься хвилею за одиницю часу через одиницю площі поверхні, перпендикулярної до напряму поширення хвилі, називають силою звуку:

. (7)

Людське вухо здатне сприймати звуки з інтенсивністю від

= 10^-12 (стандартна межа чутності) до =10 .

Суб’єктивно розрізняють не силу звуку , а його гучність :

. (8)

Одиницею гучності є бел (Б). На практиці зручніше користуватись у 10 разів меншими одиницями – децибелами (дБ). Наприклад, негучна розмова на відстані 1 м ведеться з гучністю біля 40 дБ, двигуни реактивного літака на відстані 10 м ревуть із гучністю біля 120 дБ.

3. Інтерференція. Стоячі хвилі

Інтерференція хвиль (від лат. inter – взаємно + ferens – той, що несе) – явище, яке спостерігається при одночасному поширенні в просторі декількох хвиль. Інтерференція полягає в стаціонарному (чи повільно змінному) просторовому перерозподілі амплітуди та фази результуючої хвилі. Вона спостерігається лише у випадку, коли хвилі, які накладаються, є когерентними.

Когерентністю (від лат. cohaerens – взаємопов’язаний) називають узгоджений перебіг у часі декількох коливних чи хвильових процесів. Когерентними є хвилі, які мають однакову частоту та однаковий напрям коливань. Лише в такому випадку різниця фаз між ними не змінюється в часі.

Нехай у просторі поширюються дві зустрічні когерентні хвилі з однаковими амплітудами:

; (9)

. (10)

Накладання цих хвиль дає наступний результат:

. (11)

Такий процес називають стоячою хвилею. Дійсно, якщо перша хвиля переносить енергію в напрямі осі, то друга – в зворотному напрямі. І взагалі, вираз (11) є рівнянням коливань, а не хвилі.

Точки простору (див. рис. 1), в яких речовина коливається з максимальною амплітудою, називають пучностями стоячої хвилі. Точки простору, в яких коливання в середовищі не збуджуються, називаються вузлами. З (11) видно, що координати вузлів визначаються з рівняння:

. (12)

Це значить, що:

, де . (13)

Н а практиці стоячі хвилі утворюються при накладанні падаючої та відбитої хвиль у резонаторах. У музичних інструментах резона­тори виготовляють у вигляді труб (орган, тромбон та інші духові), пластин (фортепіано, акордеон і т. д.), коробок (скрипка, гітара, цимбали, камертон і т. п.).

У цій роботі за резонатор править труба, закрита рухомим поршнем (рис. 2). При резонансі на відбиваючій поверхні поршня буде вузол стоячої хвилі. Необхідно, щоб відбиваюча поверхня резонатора була перпендикулярною до напряму поширення хвилі, а коефіцієнт відбивання – близький до одиниці.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Увімкнути лабораторне устаткування і встановити задану викладачем частоту коливань звукового ґенератора (800 – 1200 Гц).

2. Переміщуючи поршень резонатора, визначити такі його положення , при яких спостерігаються максимальні покази індикатора.

3. Пункт 2 повторити тричі при різних частотах коливань ґенератора.

4. Обчислити відстані між послідовними позиціями поршня:

. (14)

5. Швидкість звуку обчислити за формулою:

. (15)

6. Дані вимірювань , обчислень та занести до табл. 1.

Табл.1.

№ п/п
1		–	–		–	–		–	–
2
3
сер.	–			–			–

7. Обчислити середнє значення швидкості звуку для трьох різних частот. Результат вимірювань записати у вигляді довірчого інтервалу:

.