Резонансная труба    

    Основные колебания в закрытой трубеРезонансная труба представляет собой узкую трубу, в которой создаются колебания столба воздуха. Для изменения длины столба воздуха применяются разные способы, например изменения уровня воды в трубе.

    Закрытый конец трубы представляет собой узел, потому что находящийся в соприкосновении с ним воздух неподвижен. Открытый конец трубы всегда является пучностью, поскольку амплитуда колебаний здесь максимальна. На рисунке показан основной вид стоячей волны воздуха в трубе, закрытой с одного конца (закрытой трубе). Присутствует один узел и одна пучность. Длина трубы составляет примерно одну четвертую длины стоячей волны.

    Исследование. Определить скорость звука при помощи резонансной трубы

    Прибор, применяемый в этом исследовании, показан на рисунке а. Резонансная труба представляет собой длинную узкую трубу А, соединенную с резервуаром В через резиновый патрубок. В обеих трубах находится вода. Когда В поднят, длина воздушного столба в А уменьшается, а когда В опускается, длина столба воздуха в А увеличивается. Поместите колеблющийся камертон сверху А, когда длина столба воздуха в А практически равна нулю. Вы не услышите никакого звука.

    Резонансная труба

    По мере увеличения длины столба воздуха в А вы услышите, как звук усиливается, достигает максимума, а затем начинает затихать. Повторите эту процедуру, регулируя В таким образом, чтобы длина воздушного столба в А давала максимальный по силе звук. Затем замерьте длину l1 столба воздуха (рис. б).

    Громкий звук слышен потому, что собственная частота столба воздуха длиной l1 равна собственной частоте камертона, и поэтому воздушный столб колеблется в унисон с ним. Вы нашли первое положение резонанса. Фактически длина колеблющегося воздуха несколько больше столба воздуха в А.

    Итак, 1/4λ = l1 + e

    Длина е - это дополнительная длина, которая должна быть добавлена к длине столба воздуха l1, чтобы получить более точную длину колеблющегося воздуха. Эта поправка называется краевой коррекцией. Если вы опустите В еще ниже, так, чтобы длина воздушного столба увеличилась, то найдете другое положение, в котором звук достигает максимальной силы. Точно определите это положение и измерьте длину l2 столба воздуха. Это - второе положение резонанса. Как и прежде, вершина находится на открытом конце трубы, а узел - на поверхности воды.

    Это может быть достигнуто только в случае, показанном на рисунке в, при этом  длина столба  воздуха  в  трубе  приблизительно составляет - 3/4 длины волны (3/4λ). Краевая коррекция остается такой же, как и прежде, поэтому 3/4λ = l2 + е. Вычитание двух замеров дает:

    Формула

    где f - частота камертона. Это быстрый и достаточно точный способ определения скорости звука в воздухе.

    Демонстрация, что длина воздушного столба пропорциональна частотеДля того чтобы показать, что длина столба воздуха обратно пропорциональна частоте волны, нужно применить ряд камертонов. Лучше использовать маленький громкоговоритель, соединенный с откалиброванным генератором звуковой частоты, вместо камертонов фиксированной частоты. Вместо труб с водой применяется длинная труба с поршнем, поскольку это облегчает подбор длины столбов воздуха. Вблизи от конца трубы помещается постоянный источник звука, и получаются резонансные длины воздушного столба для частот 300 Гц, 350 Гц, 400 Гц, 450 Гц, 500 Гц, 550 Гц и 600 Гц.

    Строится график зависимости (частоты) от длины трубы. Пересечение в отрицательную часть графика дает значение краевой поправки е (примерно 0,6 r, где r - радиус резонансной трубы).

    График зависимости частоты от длиныКогда вода наливается в бутылку, образуется звук определенного тона, поскольку воздух в бутылке начинает колебаться. Высота этого тона повышается по мере уменьшения объема воздуха в бутылке. Каждая бутылка имеет определенную собственную частоту, и, когда дуешь поверх открытого горлышка бутылки, может также образоваться звук.

    В начале второй мировой войны прожектора фокусировались на самолетах при помощи оборудования, работавшего в звуковом диапазоне. Чтобы не дать им сфокусироваться, некоторые экипажи выбрасывали из самолетов пустые бутылки, когда они попадали в луч прожектора. Громкие звуки падающих бутылок воспринимались приемником, и прожектора теряли фокус.

Copyright © 2011-2014  globalphysics.ru
All Rights Reserved