Temat: Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu
metodą czasu przelotu
Grupa: L02
Imię i nazwisko: Ewelina Jankowska
Data wykonania ćwiczenia:
10.05.2011
Teoria:
1. Na czym polega rozchodzenie się fali dźwiękowej? Fale podłużne i fale poprzeczne.
Dźwięk jest zjawiskiem falowym.
Bezpośrednią przyczyną jego powstawania są drgania mechaniczne ośrodka sprężystego.
Istnieją dwa zasadnicze sposoby wytwarzania fal akustycznych:
- lza pomocą drgań mechanicznych, czyli ruch cząsteczek ośrodka jest wywołanyl
przez znajdujący się w nim dowolny element drgający.
- lza pomocą turbulencji, czyli drgania ośrodka spowodowane są zaburzeniami l
przepływającego strumienia gazu lub cieczy, tworzeniem się wirów.
W pierwszym przypadku ruch cząsteczek ośrodka jest wywołany przez znajdujący się w nim dowolny element drgający. W drugim przypadku - drgania ośrodka spowodowane są zaburzeniami przepływającego strumienia gazu lub cieczy, tworzeniem się wirów. Rozchodzenie się fali dźwiękowej polega na powstawaniu zaburzenia w ośrodku, w postaci postępujących chwilowych zagęszczeń i rozrzedzeń elementarnych cząsteczek ośrodka, powodujących powstanie chwilowych zmian ciśnienia akustycznego p.
Przykładowe sposoby rozchodzenia się fali dźwiękowej w ośrodku sprężystym:
Rozpatrując drgania cząsteczek ośrodka, w którym rozchodzi się fala przestrzenna, można wyróżnić wśród nich cząsteczki, których drgania są zgodne w fazie i które ponadto są w danej chwili jednakowo odległe od źródła. Wyznaczają one czoło fali. Dla fal, które rozchodzą się z punktowego źródła dźwięku jednakowo we wszystkich kierunkach, czoła fal leżą na powierzchniach kul współśrodkowych. Fale takie nazywa się kulistymi.
Wszystkie źródła dźwięku, występujące w praktyce, są bardziej lub mniej kierunkowe. Ponieważ w dostatecznie dużej odległości od źródła krzywizna jest mała, wycinek powierzchni kulistej można traktować jako płaszczyznę i czoło fali kulistej stanowi wtedy płaszczyznę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali; dla uproszczenia traktuje się wówczas falę kulistą jako falę płaską.
Fala płaska jest falą przestrzenną, której wszystkie charakterystyczne wielkości w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali mają w danej chwili tę samą wartość.
Jednak fale można również podzielić ze względu na kierunek drgań cząstek ośrodka względem kierunku propagacji fali. I tak można wyróżnić:
- lfale podłużne - cząstki drgają wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali (przykład stanowić mogą fale dźwiękowe w powietrzu)llfale poprzeczne - cząstki drgają w kierunku poprzecznym do kierunku rozchodzenia się falil
2. Parametry określające falę dźwiękową.
Moc akustyczna
Każde ciało, znajdujące się w ośrodku sprężystym, przenoszącym fale dźwiękowe i drgające z częstotliwością mieszczącą się w paśmie częstotliwości słyszalnych, jest źródłem energii akustycznej słyszalnej.
Ilość energii, jaką wysyła źródło dźwięku w jednostce czasu, nazywa się mocą akustyczną. Moc akustyczną określa się w watach (W) lub mikrowatach (mW). Moce akustyczne spotykanych zazwyczaj źródeł dźwięku wykazują ogromną rozpiętość.
Moc akustyczną można obliczyć orientacyjnie z wyrażenia:
N =
p2
Z
S [W]
gdzie: N - moc akustyczna w watach, W,
p - ciśnienie akustyczne, N/m2,
Z - oporność akustyczna ośrodka, N*s/m3,
S - pole powierzchni źródła dźwięku, m2.
Ze względu na przytoczoną dużą rozpiętość mocy, posługiwanie się mocami wyrażonymi w skali liniowej byłoby w praktyce bardzo niewygodne. Dlatego wprowadzono stosunek mocy akustycznej źródła do mocy akustycznej odniesienia, zwany poziomem mocy i wyrażony w decybelach, dB, który można
określić z wyrażenia:
LN = 10lg
N
N0
[dB]
gdzie: N - moc akustyczna źródła, W,
N0 - moc akustyczna odniesienia równa 10-12 W.
Natężenie dźwięku
Moc akustyczna energii przypadająca na jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej nazywa się natężeniem dźwięku I i oblicza się z wyrażenia:
I =
N
S
[W/m2]
gdzie: N - moc akustyczna, W,
S - pole powierzchni, m2.
Natężenie dźwięku dla fali płaskiej można również określić z wyrażenia:
I =
p2
Z0
[W/m2]
gdzie: p - ciśnienie akustyczne, N/m2,
Z0 = r0 c - oporność akustyczna właściwa powietrza, N*s/m3.
Poziom natężenia dźwięku obliczamy ze wzoru:
LI = 10lg
I
I0
[dB]
gdzie: LI - poziom natężenia dźwięku, dB,
I - natężenie dźwięku, W/m2,
I0 - natężenie dźwięku odniesienia odpowiadające najmniejszemu natężeniu słyszalnemu dla częstotliwości równej 1000 Hz (I0 = 10-12 W/m2).
W praktyce mierzy się nie natężenie dźwięku, lecz ciśnienie akustyczne i dlatego używa się miary względnej zwanej poziomem ciśnienia akustycznego Lp, przy czym:
Lp = 20lg
p
p0
[dB]
gdzie: Lp - poziom ciśnienia akustycznego, dB,
p - ciśnienie akustyczne, N/m2,
p0 - ciśnienie akustyczne odniesienia, występujące przy natężeniu I0, równe 2*10-5 N/m2.
Poziom dźwięku
Obiektywnym przybliżeniem poziomu głośności jest poziom dźwięku, określany za pomocą pomiaru miernikiem poziomu dźwięku. Poziom dźwięku jest to korygowany (ważony) poziom ciśnienia akustyc...