Труба Кундта
Труба Кундта — это экспериментальный акустический прибор, изобретённый в 1866 немецким физиком Августом Кундтом[1][2] для измерения скорости звука в газах или твердом цилиндре. На сегодняшний день прибор используется для демонстрации акустической стоячей волны.
Принцип работы
[править | править код]Труба состоит из прозрачного цилиндра, заполненного небольшим количеством мелкого лёгкого порошка (из пробки, ликоподия, талька[3]). На одном конце трубы установлен источник звука стабильной частоты. Кундт использовал металлический резонатор, который "пел" при его натирании. Современные демонстрации используют в качестве источника звука динамики, подключённые к генератору сигналов, дающим синусоидальный сигнал стабильной частоты. Другой конец трубы заглушен или содержит перемещаемый поршень для настройки длины трубы.
Когда источник звука включён, длину трубы изменяют поршнем с противоположного конца, пока звук не станет резко громким — это показывает наличие в трубе акустического резонанса. Это означает, что на пути звука умещается кратное число длин волн звука, длина волны обозначается буквой λ. В то же время длина трубы кратна целому числу полуволн. В трубе образуется стоячая волна. Амплитуда вибраций, вследствие сложения волн, равна нулю через периодические расстояния вдоль трубы, образуя "узлы", в которых порошок не шевелится, и пучности, в которых амплитуда максимальна и порошок шевелится.
Порошок захватывается движениями воздуха, созданными акустической волной в трубе, и формирует горки в местах узлов, которые остаются и после выключения звука. Расстояние между горками равно половине длины волны звука λ/2. Если измерить расстояние между горками - можно найти длину волны звука λ, и если частота звука, обозначаемая буквой f известна, то можно найти скорость звука в воздухе. Взаимосвязь описывается формулой:
Перемещение частиц порошка вызывается акустическим потоком, вызванным пограничным слоем у стенок трубы.[4]
Последующие эксперименты
[править | править код]Заполняя трубу различными газами, а также откачивая газ из трубы насосом Кундт смог измерить скорость звука в различных газах и при различных давлениях. Источником колебаний служил металлический стержень, закрепленный в центре пробки с одного из концов трубы. Когда Кундт тёр стержень куском кожи, покрытом канифолью, стержень резонировал на своей резонансной частоте. Так как скорость звука в воздухе уже была известна, Кундт смог рассчитать скорость звука в металле стержня. Длина стержня L была равна длине полуволны звука в металле, а расстояние между горками порошка в трубе равно половине длины волны звука в воздухе d. Соответственно скорости звука в этих средах относились между собой как длины волн:
Точность
[править | править код]
Менее точный метод определения длины волны использовался до Кундта. Он основан на измерении длины трубы при резонансе, которая кратна числу полуволн в трубе. Но проблема в том, что длина трубы не точно равна кратному числу полуволн [3]. Это связано с тем, что узел со стороны вибрирующего диффузора не точно на месте диффузора, а на некотором расстоянии от него. Метод Кундта по непосредственному измерению расстояния между узлами на порошке позволил значительно повысить точность.
См. также
[править | править код]- Фигуры Хладни, Еще одна техника визуализации стоячей волны на плоскости
- Труба Рубенса, Демонстрация стоячей волны в трубе при помощи горючего газа
Источники
[править | править код]- ↑ Kundt, A. Ueber eine neue Art Akustischer Staubfiguren und über die Anwendung derselben zur Bestimmung der Shallgeschwindigkeit in festen Körpern und Gasen (нем.) // Annalen der Physik. — Leipzig: J. C. Poggendorff, 1866. — Т. 127, № 4. — С. 497—523. — doi:10.1002/andp.18662030402. — . Архивировано 2 января 2014 года.
- ↑ Kundt, August. Acoustic Experiments (англ.) // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science : journal. — UK: Taylor & Francis,. — Vol. 35, no. 4. — P. 41—48.
- ↑ 1 2 Poynting, John Henry; Thomson, J. J.[англ.]. A Textbook of Physics: Sound (неопр.). — 3rd. — London: Charles Griffin & Co., 1903. — С. 115—117.
- ↑ Faber, T. E. Fluid Dynamics for Physicists (неопр.). — UK: Cambridge University Press, 1995. — С. 287. — ISBN 0-521-42969-2.
 |
|---|
