Трубка Кундца - Википедия - Kundts tube

Рисунок из оригинальной статьи Кундта 1866 года в Annalen der Physik, показывающий трубчатый аппарат Кундта (рис.6 и 7, вверху) и созданные им порошковые узоры (рис.1, 2, 3, 4).

Трубка Кундта экспериментальный акустический прибор изобретен в 1866 году немецким физиком Август Кундт[1][2] для измерения скорость звука в газ или твердый стержень. Эксперимент до сих пор преподается из-за его способности демонстрировать продольные волны в газе (которые часто бывает трудно визуализировать). Сегодня он используется только для демонстрации стоячие волны и акустические силы.

Как это устроено

Трубка - это прозрачный горизонтальная труба, содержащая небольшое количество мелкого порошка, например пробка пыль, тальк или же Lycopodium.[3] На одном конце трубки находится источник звука одной частоты ( чистый тон ). Кундт использовал металлический стержень резонатор что он заставил вибрировать или "звенеть", потерев его, но современные демонстрации обычно используют громкоговоритель прикреплен к генератор сигналов производство синусоидальная волна. Другой конец трубки заблокирован подвижным поршнем, который можно использовать для регулировки длины трубки.

Включают звуковой генератор и регулируют поршень до тех пор, пока звук из трубки внезапно не станет намного громче. Это указывает на то, что трубка находится на резонанс. Это означает, что длина пути прохождения звуковых волн от одного конца трубки до другого и обратно кратна длине пути звуковых волн. длина волны λ из звуковые волны. Следовательно, длина трубки кратна половине длины волны. В этот момент звуковые волны в трубке имеют форму стоячие волны, а амплитуда колебания воздуха равны нулю на равных интервалах вдоль трубы, называемых узлы. Порошок улавливается движущимся воздухом и оседает небольшими кучками или линиями в этих узлах, потому что там воздух неподвижен и тих. Расстояние между сваями - половина длина волны λ/ 2 звука. Измеряя расстояние между сваями, длина волны λ звука в воздухе можно найти. Если частота ж звука, умножение его на длину волны дает скорость звука c в воздухе:

Детальное движение порошка на самом деле связано с эффектом, называемым акустический поток вызванный взаимодействием звуковой волны с пограничный слой воздуха на поверхности трубки.[4]

Дальнейшие эксперименты

Заполнив трубку другими газами, помимо воздуха, и частично откачав ее с помощью вакуумного насоса, Кундт также смог рассчитать скорость звука в разных газах при разных давлениях. Чтобы создать свои колебания, Кундт остановил другой конец трубки с помощью неплотно прилегающей пробки, прикрепленной к концу металлического стержня, выступающего в трубку, зажатого в ее центре. Когда его протирали продольно куском кожи, покрытым канифоль, стержень вибрировал продольно на своем основная частота, выдавая высокую ноту. Как только скорость звука в воздухе была известна, это позволило Кундту вычислить скорость звука в металле стержня резонатора. Длина стержня L равнялась половине длины волны звука в металле, а расстояние между грудами порошка d равнялась половине длины волны звука в воздухе. Таким образом, соотношение двух было равно соотношению скорости звука в двух материалах:

Причина точности

Современная версия эксперимента с трубкой Кундта, используемая на уроках физики в южноамериканском университете. Вместо прозрачной трубки с порошком в ней для выявления узлов используется микрофоны установлен в трубе. Поршень (правый центр) перемещается вперед и назад. Когда микрофон находится в узлы волны звуковое давление стремится к нулю. Мощность звука микрофонов записывается на самописец (центральный задний).

Менее точный метод определения длины волны с помощью трубки, использовавшийся до Кундта, заключается в простом измерении длины трубки в резонансе, которая приблизительно равна кратной половине длины волны. Проблема с этим методом заключается в том, что когда трубка с воздухом приводится в движение источником звука, ее длина в резонансе не в точности равна кратной половине длины волны.[3] Поскольку воздух на исходном конце трубки, рядом с диафрагмой динамика, колеблется, он не находится точно в узле (точке нулевой амплитуды) стоячей волны. Узел фактически находится на некотором расстоянии от конца трубы. Метод Кундта позволил с большой точностью определить фактическое расположение узлов.

Смотрите также

  • Хладни плиты, еще один метод визуализации стоячей волны.
  • Трубка Рубенса, демонстрирует взаимосвязь между стоячими звуковыми волнами и звуковым давлением.

Рекомендации

  1. ^ Кундт, А. (1866). "Ueber eine neue Art Akustischer Staubfiguren und über die Anwendung derselben zur Bestimmung der Shallgeschwindigkeit in festen Körpern und Gasen". Annalen der Physik (на немецком). Лейпциг: J. C. Poggendorff. 127 (4): 497–523. Bibcode:1866АнП ... 203..497К. Дои:10.1002 / andp.18662030402. Получено 2009-06-25.
  2. ^ Кундт, август (январь – июнь 1868 г.). «Акустические эксперименты». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. Vol. 35 нет. 4. Великобритания: Тейлор и Фрэнсис. стр. 41–48. Получено 2009-06-25.
  3. ^ а б Пойнтинг, Джон Генри; Томсон, Дж. Дж. (1903). Учебник физики: звук (3-е изд.). Лондон: Charles Griffin & Co., стр.115 –117. Резонанс трубки Кундта.
  4. ^ Фабер, Т. Э. (1995). Гидродинамика для физиков. Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 287. ISBN  0-521-42969-2.

дальнейшее чтение

  • Хортвет, Дж. (1902). Учебное пособие по элементарной практической физике. Миннеаполис: H.W. Уилсон. Стр. 119+.