Starí ľudia hovorili, že blesk udrel od nás toľko kilometrov, koľkokrát medzi bleskom a hromom napočítali do troch... Mali pravdu?

V tejto aktivite odmeriame rýchlosť šírenia zvuku vo vzduchu. Existuje viacero metód, ako ju odmerať. Použijeme zaujímavú metódu, pri ktorej v dlhšej trubici, ktorá je na jednom konci uzavretá a na druhom otvorená  vytvoríme stojaté zvukové vlnenie so známou frekvenciou. Prítomnosť stojatého vlnenia v trubici zistíme ľahko sluchom. Zvuk sa výrazne zosilní.

 

 

Čo budeme potrebovať?

• Pol metra dlhú vodoinštalačnú rúrku, trubicu s priemerom cca 30-40 mm
• Vyšší odmerný valec, alebo nádobu s vodou, do ktorej budeme rúrku ponárať
• Frekvenčný generátor s reproduktorom - vyrobili sme si z Arduina
• Dĺžkové meradlo

Princíp merania

Princíp merania spočíva v zistení vlnovej dĺžky zvukovej vlny so známou frekvenciou. Vlnovú dĺžku zvukovej vlny zistíme tak, že vytvoríme v trubici stojaté zvukové vlnenie a zaznamenáme dĺžku trubice, pri ktorej táto stojatá vlna vznikla. Názorne to vidíme na obrázku nad týmto textom.

Ako trubicu použijeme polmetrovú vodoinštalačnú rúru s priemerom 3 - 4 cm. Rúru vložíme na dno do nádoby s vodou. Nádoba je vysoká akurát toľko, aby z nej kúsok rúry vyčnievalo. Vhodný je vyšší odmerný valec.

Nad horný okraj trubice priložíme reproduktor, ktorý vydáva zvuk vopred nastavenej frekvencie. Zvukové vlnenie sa bude šíriť trubicou a na vodnej hladine sa odrazí. Odrazené vlnenie bude interferovať s pôvodným zvukovým vlnením a pri vhodnej dĺžke trubice vznikne v trubici stojaté vlnenie. Spozorujeme to tak, že zvuk vychádzajúci z trubice sa výrazne zosilní. Treba pripomenúť, že zvuková vlna sa na vodnej hladine odrazí ako na pevnom konci, teda tam vznikne uzol stojatého vlnenia, pri otvorenom konci trubice bude naopak, kmitňa.

Meranie prebieha tak, že trubicu postupne vyťahujeme z nádoby s vodou a zaznamenáme dve dĺžky vzduchového stĺpca trubice l₁ a l₂ , pri ktorom sa zvuk maximálne zosilnil - čiže v trubici práve vzniklo stojaté vlnenie. Odčítaním   l₂ - l₁ dostame polovicu vlnovej dĺžky stojatého vlnenia. 

Zo známeho vzťahu pre vlnovú dĺžku lambda = v . T vypočítame rýchlosť zvuku vo vzduchu "v". Do vzorčeka treba ešte vedieť T - periódu zvukového vlnenia, ktorú určíme zo známej frekvencie zvuku: T = 1 / f, kde f je frekvencia zvuku v Hertzoch. 

Zvukový generátor pre tento experiment sme skonštruovali z Arduina a ďalších súčiastok. Experimentálne sme zistili, s ohľadom na dĺžku trubice, že potrebné frekvencie na meranie sa pohybujú v intervale od 1000 Hz do 2000 Hz.

 

Na stiahnutie

• Návod na praktické cvičenie Meranie rýchlosti zvuku. Meranie_rychlosti_zvuku_otvorenym_rezonatorom_v2.pdf

 

Popis projektu frekvenčného generátora:

Ako riadiaci mikrokontrolér je použitý ATtiny3226, naprogramovaný v prostredí Arduino, ktorý generuje obdĺžnikový signál s voliteľnou frekvenciou. Tento je aktívnym filtrom MAX7400 upravený na signál s takmer harmonickým priebehom. Nakoniec je signál zosilnený zosiľňovačom SSM2211 a vyvedený na konektor (zadná strana krabičky). Do konektora pripájame reproduktor. 

Ľavým gombíkom - enkóderom - sa nastavuje frekvencia zvuku a pravým gombíkom hlasitosť. Nastavená frekvencia sa zobrazuje na OLED displeji. Prístroj obsahuje aj vstupný konektor, do ktorého môžeme priviesť signál z mikrofónu a graficky zobraziť jeho intenzitu.

 

Viac informácií o projekte Frekvenčného generátora vám rád poskytnem na adrese jancekm@gsa.sk