Труба Кундта

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рисунок из оригинальной статьи Кундта 1866 года в Annalen der Physik, показывающий устройство прибора (fig.6 & 7, top) и создаваемый частицами рисунок(fig.1, 2, 3, 4).


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, липокодия, 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.

Стоячая волна. Красные точки отмечают узлы

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. Длинна стержня L была равна длине полуволны звука в металле, а расстояние между корками порошка в трубе равно половине длинны волны звука в воздухе d. Соответственно скорости звука в этих средах относились между собой как длины волн:

Точность[править | править код]

Современная версия эксперимента с трубой Кундта в физическом классе южноамериканского университета. Вместо прозрачной трубы с порошком для определения положения узлов эта установка использует микрофон. Уровень сигнала с микрофона становится минимальным в узле и максимальным в пучности, микрофон внутри трубы перемещается кареткой (справа в центре). Уровень сигнала записывается на бумаге в виде графика графопостроителем (в центре сзади).

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.

Смотрите 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]

  1. Kundt, A. (1866). «Ueber eine neue Art Akustischer Staubfiguren und über die Anwendung derselben zur Bestimmung der Shallgeschwindigkeit in festen Körpern und Gasen» (German). Annalen der Physik (J. C. Poggendorff) 127 (4): 497–523. DOI:10.1002/andp.18662030402. Bibcode1866AnP...203..497K. Проверено 2009-06-25.
  2. Kundt, August (January–June 1868). «Acoustic Experiments» (Taylor & Francis,) 35 (4): 41–48. Проверено 2009-06-25.
  3. 1 2 Poynting, John Henry. A Textbook of Physics: Sound / John Henry Poynting, Thomson. — 3rd. — London : Charles Griffin & Co., 1903. — P. 115–117.
  4. Faber, T. E. Fluid Dynamics for Physicists. — UK : Cambridge University Press, 1995. — P. 287. — ISBN 0-521-42969-2.