Теория эксперимента

Определение скорости звука в лабораторной работе проводится по фиксации высоты воздушного столба, при которой наблюдается резонанс собственных частот колебаний воздушного столба с частотой колебаний, создаваемых микрофоном.

Рассмотрим установку, состоящую из стеклянной трубки, заполненной водой, уровень воды можно понижать, выпуская ее через кран в нижней части трубки. В воздушном столбе между микрофоном, который возбуждает колебания (помещается сверху трубки) возникает стоячая волна. Собственные частоты колебания воздушного столба, ограниченного с одной стороны определяются по формуле:

(5)

где - скорость звука в воздухе,

h - высота воздушного столба на которой уложится одна четверть длины стоячей волны m=0,1,2…

При m=0,

Эту частоту называют основным тоном. Все последующие более высокие частоты (при m=1,2,3…) называются обертонами или гармониками. При понижении уровня воды до h₁ (рис.2, а) наблюдается первое усиление звука - резонанс частот основного тона и микрофона

В принципе скорость звука можно определить по формуле (6). Однако погрешность в определении положения пучности стоячей волны достаточно большая, т.к. зависит от положения микрофона неровностей верхнего края трубки и т.д.

Второе усиление звука наблюдается при высоте Н ₁=(h₁+2h₁) воздушного столба (рис.2,б) – резонанс первой гармоники (m=1) и частоты микрофона

(7)

Третье усиление (рис.2,в) – резонанс второй гармонии (m=2) и частоты создаваемой микрофоном

(8)

и т.д.

Определим Н – разность высот между соседними уровнями воды, при которых наблюдается резонанс

(9)

Получили точно такую же формулу, как и при определении расстояния между двумя соседними пучностями или узлами стоячей волны (см. уравнение 4).

Из последней формулы скорость звука