Meghatározása a hangsebesség és a hőmérsékleti együtthatója hangsebesség
A frekvencia és fázis akusztikus módszerek a tanulmány a nem stacionárius termikus módban.
Mivel ebben a tanulmányban, tanulmányozzuk a terjedési hanghullámok a levegőben, részletesebben kapcsolatos kérdéseket a hangsebességet. A terjedési sebesség a longitudinális hullám egy rugalmas közeg adja meg:
,
Amennyiben E - a tömbös rugalmassági modulusa a közeg, vagy az inverze a összenyomhatósága a közeg:
Mert terjedési sebessége kisebb zavarokat, a gáz, különösen a hangsebesség megfelel az összefüggésben
Ha a hang terjedési folyamat minősül adiabatikus, majd
Behelyettesítve (2) be (1), és a
Alkalmazása Clapeyron újraírás (3) formájában
E. A hang sebessége arányos a négyzetgyök az abszolút hőmérséklet.
Származtatása a képlet a hangsebesség és a hőmérsékleti együtthatója a hangsebesség.
Ebben a tanulmányban az ismeretlen mennyiségek segítségével határozzuk akusztikus interferencia, feltételezve, hogy a fáziskülönbség mérése. Érintése nélkül, miközben az elmélet és a technika a frekvencia-fázis mérések-CIÓ, megszerezzék a szükséges számítási kapcsolatok.
Legyen egy gáznemű közeget zárják egy hengeres cső L hosszúságú. A kiindulási környezeti hőmérsékletet T1. A végén a csövek elrendezve hangforrás f frekvenciával vibrációk, rezgések a vevőkészülék. Megfelelő hőmérsékleten, hogy a kezdeti hangsebességgel oszcillációk a közegben egyenlő u. Aztán a kezdeti fázis különbség a vevő és a hangforrás felírható
Ahol - a áthaladását hang révén a közeg előre meghatározott hőmérsékleten T
Ha a tulajdonságok a környezetre, beleértve a hőmérséklet, nem kergeti az időben, a sebesség az akusztikus rezgések minden pontban azonos lesz, és a fáziskülönbség állandó (). Ha a forrás frekvencia változás és egyenlővé válik, akkor
Kivonva (7) (6) kifejezése a sebesség, azt találjuk, hogy
Nyilvánvaló, hogy a (8) képletű is érvényes a többi hőmérséklet:
Így meghatározzuk a hangsebesség két különböző hőmérsékleten, és ki tudja számítani a hőmérsékleti együtthatója hangsebesség:
KÖVETKEZTETÉS frekvencia-fázisviszony összekötő I3MENENIE hang sebessége a hőmérséklettől függően.
Az előző levezetés feltételezte, hogy a fáziskülönbség megváltozik megváltoztatja a frekvenciát a hangforrás. Kifejezetten, a hőmérséklet a megadott képlet alapján (8) és (9) nem jelenik meg. Ezek az arányok, ezért nem tükrözik a dinamikáját az átmeneti hőmérséklet és a. A függőség a fáziskülönbség a hőmérséklet nem lehet, ha összehasonlítjuk a kísérlet, az eredmények két független egymástól, és fix hőmérséklet szintek. Elméletileg, ez a kapcsolat következik kapcsolatban (6). Ezért, (7) felírható:
Ahol - a frekvencia egy bizonyos kezdeti hőmérséklet.
Annak megállapítása érdekében, a természet a fáziseltolódás változását a hőmérséklet, megkülönböztetünk (11) egy hőmérséklet-beállítás és kihagyva az mínusz jel
E. Base nyírási sebesség közvetlenül arányos a hőmérséklet-változás sebessége. A kis lépésekben a hőmérséklet az idő fáziskülönbséget képest az oszcilláció vevő hangforrás hevítés előtt és után a minta felírható
Ahol. - kiindulási hőmérséklet, - a hang sebessége a hőmérséklet - aktuális hőmérséklet a közeg. Ez megfelel a kezdete fűtési hűtés (idején bekapcsolása vagy kikapcsolása a hőforrás). Az érték lehet kiindulni, állandó a kísérlet során.
Így a fáziseltolódás az akusztikus rezgések egyenesen arányos a feleslegben lévő hőmérsékleten, közepes vizsgálat alatt. A levezetés képletek feltételezhető, hogy a változás üteme az akusztikai paraméterek a teljes gáz mennyisége ugyanaz, ez csak attól függ, időben és. Tekintettel arra, hogy a modern fazometricheskie eszközök lehetővé teszik, hogy az intézkedés az alapvető szögek legfeljebb 0,01 ív. C. és kisebb, világossá válik, hogy egy fázis módszer megbízhatóan érzékelni nagyon kicsi a hőmérséklet-változások - akár 0001 fokos vagy annál kevesebb. Ebben a tekintetben, kutatási fázisban technikák hasznosak egy kis fűtési vagy hűtési sebességek anyagok.
A magas változásának mértékét testhőmérséklet meghaladó 10-30 ° / sec jobb használni frekvencia módszerekkel. A kapcsolat a frekvencia különbség és fáziskülönbség a két rezgés következő
Ha figyelembe veszi (14) megkapjuk azt a kifejezést bizonytalan nyírási akusztikus hullámok, ami által okozott változást a környezeti hőmérséklet az idővel:
Ahol - a forrás frekvencia, - a frekvencia által kapott a detektor.
A hatás a változó frekvenciájú hullám folyamat nem jár a relatív mozgás a vevő és a forrás a rezgések, és ennek hatására egy időbeli változását Az anyagok tulajdonságainak, hogy meghatározzák a terjedési sebessége rugalmas hullámok nevezzük nem-stacionárius akusztikus Doppler-effektus.
Tól (16) következik, hogy a frekvenciaeltolási akusztikus rezgések változó hőmérséklet arányos a melegítés sebessége (hűtés). Így a felvétel nagysága a frekvencia eltolódás idővel meg lehet mérni a sebességet a közeg felmelegedését, a hatás még jelentősebb nagy sebességgel a fűtés.
Meg kell jegyezni, hogy a mérés a frekvencia különbség és fázisát harmonikus rezgések végezhető nagy pontossággal, így a frekvencia - fázisú eljárásokkal jó felbontás. Ezek a módszerek szinte inertialess, a tehetetlenség határozza meg áthaladási időt az akusztikus jelet a szabályozott szakasz, és ez a valóságban nem haladja meg a 10-10 másodpercet. Továbbá az akusztikus diagnosztikai módszer roncsolásmentes.
MÓDSZER akusztikus interferenciára
Mivel a szükséges mérni a fázis ingadozása és a változás, röviden felidézni a módszer lényege az interferencia számok. Váltakozó feszültség között, amely szükséges, hogy meghatározzuk a fáziseltolódás tápláljuk egy pár egymásra merőleges eltérítő lemezek katódsugárcső. Ha a frekvencia E feszültséget egyenlő, az eredmény hozzáadásának két egymásra merőleges oszcillációk jelenik meg a oszcilloszkóp képernyőjén úgynevezett Lissajous számok. Hagyja a lemezeket eltérítő a sugárnyaláb vízszintes és függőleges irányban, illetve benyújtott feszültséget, majd hajlásszöge a gerenda ebben az irányban a következő lesz:
Ahol - az arányosság együttható a sugáreltérítési a bemeneti feszültséget. Kiküszöbölése (17) alkalommal, megkapjuk az egyenletet Lissajous számok:
Nézzük meg néhány speciális esetet. Tegyük fel, hogy a fáziseltolás nulla. Ezután (18) egyenletet formájában:
,
Ez az egyenlet egy egyenes vonal, szögben a vízszintes tengely:
Amikor egy fáziseltolódás 90 ° a képernyőre ellipszis lesz megfigyelhető:
Kezelés beállítása során oszcilloszkóp csatornák egy kört. Amikor m. E. egyenes vonalat kapunk újra, most elhelyezzük a vízszintes tengellyel szögben
Amikor két egymásra merőleges rezgéseket, amelyek nem azonos gyakorisággal, sokkal összetettebb Lissajous számadatok fázist oszcilláció közvetlenül mérhető egy speciális fázisú mérő eszköz.
LEÍRÁSA kísérleti elrendezés
Vizsgálati anyag (levegő) kitölti a cső 1, amelyen belül a hossza mentén van tekercselve fűtőelem 2. A központi cső 3 rögzített hőelem, jelzések által nyilvántartásba a voltmérő 4 (1. ábra). Egyik végén a cső rezgéseket gerjesztő 5, a másik - a vevő 6 forrásként akusztikus rezgések alkalmazásával hanggenerátor 7. Az adó és a vevő van elektrodinamikus hangszórók, jelektől, amelyek hatnak a kétsugaras oszcilloszkóp 8, ahol a fáziskülönbség van jegyezve a forrás és a vevő rezgéseket. A fűtőelem van csatlakoztatva egy áramforráshoz 9.
A végrehajtás sorrendje a következő. Ismeri az eszközöket, és gyűjtsük össze a kísérleti program. Engedélyezze hanggenerátor és egy oszcilloszkóp (eredetileg nem tartalmazzák a fűtés). Felmelegedés után készülékek, frekvenciájának változtatásával oszcillátor sugárzás, megkapja az oszcilloszkópon képernyőn különböző Lissajous számokat. Az eredményeket összehasonlítva az akusztikus interferencia elmélet. Miután az előzetes ismeretség a berendezés és a telepítés megkezdéséhez mérés.
1. sebességének meghatározása hang szobahőmérsékleten. A hanggenerátor, hogy meghatározza egy adott frekvencia (például 500-700 Hz), és rögzítse a kezdeti szakaszban. Megváltoztatja a frekvenciát, hogy meghatározzuk fáziseltolás. Ismételt mérések többször, különböző frekvenciákon. A hang terjedési sebessége kerül kiszámításra (8) képletű.
2. Tanulmány a fáziseltolódás, a hőmérséklettől függően. Sebességének meghatározása hang emelt hőmérsékleten (50-80 ° C)
Egy adott frekvencia forrás jelölje meg a kezdő fázisban. Beépítésével fűtőelem szerelt a cső belsejében, regisztrálja ideje a hőmérséklet-változás, és a fáziseltolás. Ezek az adatok ellenőrzéséhez szükséges (12) - (14). A legegyszerűbb esetben korlátozhatja a regisztrációs integráló hatása, azaz a. E. mérésére a hőmérséklet változása és a megfelelő fázis változása egy bizonyos időintervallumban. Ennek eredményeként a kísérlet eredetileg beállított frekvencia nem változik. Miután létrehozó stacionárius termikus mód mérésére a hőmérséklet és a túlzott segítségével rögzítettük korábban leírt technikához (lásd. 1. igénypont), hogy meghatározzuk a hangsebesség hőmérsékleten. Kapcsolja ki a fűtést, és elkezd egy előzetes elemzését a kísérleti adatokkal. Annak megállapítására, a hőmérsékletet figyelembe véve, hogy az érzékelő használunk chromel-alumel hőelemmel EMF alakul 0,04 mV a hőmérséklet-különbség 1 ° C-on
3. előkezelése a kísérleti adatok. A kapott adatok alapján kiszámítható a hangsebesség két különböző hőmérsékleten, (8) - (9), hőmérsékleti együtthatója hangsebesség (10), valamint, hogy ellenőrizze a kapcsolatok (12) - (14). Azt is ki kell számítani a hőmérsékleti együttható alapján az elméleti összefüggéssel (5) felejtsük el, hogy ez a kapcsolat úgy tűnik abszolút hőmérséklet. Amikor ellenőrzi funkció (14) helyettesítve a számított a kísérletet, és a hőmérsékleti együtthatója hangsebesség érték normál hőmérsékleten.
4. meghatározása hőmérséklet-változások a fáziseltolás. Ismét rögzítse a kezdeti szakaszban, és lehetővé teszi a fűtést, hogy bepereli őt egy másik elektromos áramot. A fáziseltolódás képlet szerint kiszámított (14), a hőmérséklet-változás a cső. Hasonlítsuk össze a számítások eredményeinek azonnali hőmérséklet-változás. Az új egyensúlyi állapot, ismételje meg a mérést a hangsebesség.
5. Összefoglalás A tanulmány.
Jelentésnek tartalmaznia kell a szükséges összefüggés számított és kísérleti beállítás.
A kísérleti adatok és az eredmények a feldolgozás (beleértve a kiszámított mérési hibák) vannak rögzítve az egész táblát. Számítási hiba végre, összehasonlítva a táblázat értékét hangsebesség és az elméleti érték a hangsebesség a hőmérséklet függvényében (5) kísérleti eredményei.
1. Krasilnikov VA "Sonic és ultrahangos hullámok." Fizmatgiz, M. i960.
2. Az általános tanfolyam a fizika.
I. Mi hang, ultrahang? A tulajdonságait hang és ultrahang hullámok (interferencia, diffrakciós és hasonlók. D.).
2. Hogyan működik a hangsebességet a hőmérséklet?
3. Összefoglalás a Doppler-effektus.
4. A fizikai jelentése parametrikus Doppler-effektus.
5. A kimenő képlet kapcsolatos a fázis változása a hullám a változás a hőmérséklet-környezet, amelyen keresztül ez a hullám. Milyen gyakorlati alkalmazása lehet ezt a kapcsolatot?
6. Mi a fizikai elv az alapja a mérés a fáziseltolódás oszcilloszkóppal?
