Мета роботи: визначити швидкість пошерення звукових хвиль у повітрі та в твердих тілах.
Обладнання: присрій для вивчення звукових хвиль ФПВ 03 М з необхідним обладнанням.

ПРИЗНАЧЕННЯ ФПВ 03 М

Пристрій для вивчення звукових хвиль ФПВ 03 М призначений для визначення швидкосиі поширення повздовжніх звукових хвиль в повітрі і твердих тілах.

БУДОВА ТА ПРИНЦИП РОБОТИ

1. Процес визначення швидкості звукових хвиль в повітрі базується на фазовому вимірюванні довжини звукової хвилі, що поширюється між джерелом звуку (гучномовцем) і приймачем звуку (мікрофоном): V=•=L•    (1), де  - довжина звукової хвилі,  - частота звукових коливань, L – відстань між гучномовцем і мікрофоном, що відповідає фазам коливань при =0; =2.
2. Визначити швидкість звукових хвиль в твердих тілах (сталь, латунь, алюміній) базується на резонансному методі. На кінцях стержнів запресовані шайби з феромагнітного матеріалу. Стержень жорстко закріплений в площині геометричного центру ваги. З однієї сторони стержня на відстані 0,1-0,3 мм знаходиться датчик. Змінюючи частоту генратора, змінюють частоту струму, що проходить через датчик. Кінець стержня при цьому починає натягуватися до датчика з частотою струму і у ньому виникають повздовжні хаилі, які відбиваються від іншого кінця стержня. При зміні частоти можна одержати стоячу хвилю. На іншому кінці стержні коливання сприймаються приймачем і подаються на вертикальний вхід (Y) осцилографа.
При стоячій хвилі  звукових коливань утвориться резонанс, тобто власна частота коливань стержня співпадає із збуджуючою частотою, що супроводжується збільшення амплітуди сигналу приймача. При першій резонанснійі частоті на стержні вкладуються дві чверті стоячої хвилі. Знаючи довжину стержня визначають довжину звукової хвилі і розраховують швидкість поширення в стержні за формулою: V=2L*    (2),
Де L – довжина стержня,  – частота гегератора.
3. Конструктивно пристрій виготовлено у настільній формі на спільній основі з регульованими опорами.
3.1.    Пристрій, рис.1 складається з штатива на основі якого закріплено електронний блок 2.

Над електронним блоком на стояку штатива закріплений кронштейн 10, на кінцях якого кріпиться датчик 5 і приймач 4. До середньої частини кронштейну за допомогою замка 8 прикріплені стержні 3. У верхній частині штативу закріплений хвилевід 9, який призначений для визначення швидкості звуку в повітрі.
Хвилевід представляє собою повітряний канал, на одному кінці якого закріплена головка гучномовця 6, а другий кінець каналу закритий декоративною кришкою 11. Мікрофон пристрою закріплений на повзунку 7, який дозволяє переміщати його вздовж повітряного канплу і фіксувати різноманітні фази звукових коливань.
Електрична принципова схема пристрою складається із електронного блоку А1, датчика ВВ1, приймача ВВ2, головки гучномовця ВА1 і мікрофона ВМ1.
Електрична принципова схема електронного блоку складається з джерела живлення А1, генератора А2, частотовимірювача А4, плати індикації мережі НL1 і плати мікрофонного підсилювача А3. Зовнішні вузли присторою з’єднуються з електронним блоком через вихідне з’єднання XS9. Для підключення осцилографа в електронному блоці містяться гнізда Х1 – Х4, а для перевірки роботи частотовимірювача є кнопка контролю SA1, при натисканні якої індукується контрольна частота 1024 Гц.
Електрична схема джерела живлення призначена для одержання стабілізованих напруг +12 В і –12 В. Стабілізовану напругу +12 В одержують при допомозі мікросхеми КР142ЕН8.
Стабілізовану напругу –12 В одержують при допомозі перетворювача полярності напруги. Претворювач напруги складається з генератора прямокутних імпульсів виконаного на елементах DD1.1 і DD1.2, формувача на елементах DD1.3 і чотирьох ключіів: двана транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4 і два на діодах VD3, VD4, VD5, VD6.
Транзисторні ключі при змінному струмі увімкнені послідовно сигнали наїх входах протифазні.
На мікросхемі DA1 зібраний регулюючий фазоперетворювач, який робить зсув фази сигналу і визначається відношенням ємності конденсаторів в залжності від обраного діапазону С1, С2, С3, .....С7 і опір резистора R6. Із входу фазореретворювача сигнал надходить в коло стабілізації амплітуди, що складається з ламп розжарення HL1 – HL3 і підстроювального резистора R12, за допомогою якого регулють напругу сигналу на виході генератора.
З одного діапазону на інший генератор переключають за допомогою кнопок S1 і S2. Частоту, яку необхідно виставляють за допромогою резистора R1 і плавної настройки частоти. З резистора R12 сигнал подається на інвертуючий підсилювач DA2, коефіцієнт передачі якого визначається відношенням опорів резисторів R15 і R16. Підключене паралельно до резистора R16 коло R15 С8 компенсує вплив паразитних фозових зсувів в ОУ, дозволяє зберегти характер і масштаб зміни частоти. З виходу DA1 сигнал через резистор R2 (регулювання амплітуди вихідного сигналу) надходить на вхід підсилювача звукової частоти DA3.
Частота генератора вимірюється платою частотовимірювача. На вхід 8 логічного елементу DD1.3 надходять сформовані імпульси вимірювальної частоти, на вхід 9 імпульси секундного продовження, що генеруються мікросхемою D3. З виходу елементу DD1.3 сформовані імпульси надходять на вхід лічильника 5-7, записуються в тригери 10-13 і подаються на вхід мультиплексорів 15, 16. Дешифратор 14 перетворює код, який видається мультиплексорами в сигнал збудження 7 – сигментних індикаторів. Вихідні каскади мікросхкми 3 забезпечують безпосеререднє керування сітками керування Н–1.
Плата частото вимірювача розрахована на вимірювання частоти, яка не перевищує 9999 Гц. При надходженні більшої частоти вимірювального сигналу, індикатор HG–1 починає миготіти з частотою 1 Гц.
Підсилення сигналів, що надходять з мікрофона, здійснюєтьяся за допомогою операційного підсилювача DA1. На операційному підсилювачі DA2 і транзисторі VT3 зібрана схема АРУ, яка підтримує незмінною величину вихідного сигналу при зміні відстані між динаміком і мікрофоном.На платі також знаходиться реле К1, К2, К3, які здійснюють комутацію сигналів генератора: при натисканні кнопки ПОВІТРЯ сигнал надходить на головку гучномовця, а при натисканні кнопки МЕТАЛ – на датчик.
Всі плати і джерело живлення розміщують в корпусі електронного блоку, на передній панелі якого виведені ручки управління частотою, кнопка включення мережі, кнопка перемикання діодів генератора, ручка регулювання амплітуди вихідного сигналу. Крім того на передній панелі містяться: індикація увімкнення мережі і індикація частоти генератора. На задній стінці блоку містяться: кнопка КОНТРОЛЬ, вихідне з’єднання для підключення зовнішніх елементів пристрою, клема заземлення і клема для підключення осцилографа.

ПІДГОТОВКА УСТАНОВКИ ДО РОБОТИ

1.    Встановити пристрій на лабораторний стіл і провестирегулювання основи за допомогою регульованих гвинтів.
2.    З’єднати електронний блок з мікрофоном, електромагнітними датчиками, гучномовцем і осцилографом, який має виходи горизонтальної X та вертикальної Y розгортки, провести заземлення пристрою.
3.    Встановити потрібний за умовами лабораторної роботи стержень між електромагнітними датчиками.
4.    Натиснути кнопку ввімкнення мережі і ввімкнути за допомогою кнопок діапазон ПОВІТРЯ або МЕТАЛ (згідно умов виконання лабораторної роботи).
5.    За допомогою ручки регулювання частоти в обох частотних діапазонах, впевнитися у відображенні на індикаторній панелі частоти електронного блоку.
6.    Регулюючи підсилення каналів осцилографа, впевнитись в тому, що амплітуда сигналів, що поступають на осцилограф з мікрофона (при переміщенні мікрофона вздовж хвильовода), достатня для проведення вимірювання згідно умов лабораторної роботи.
7.    Виставити за допомогою щупа зазори між датчиками і стержнем (близько 0,1 мм). Регулюючи величину зазору і змінюючи частоту генератора, добитися появи резонансу, про що буде свідчити зростання сили сигналу з приймача на екрані осцилографа (приблизно в 2-4 рази).

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1.    Визначення швидкості звуку в повітрі:
А) Ввімкнути кнопку мережі і дати прогрітися електронному блоку протягом 10 хвилин.
Б) Ввімкнути кнопку ПОВІТРЯ.
В) Ручкою регулювання частоти генератора встановити на індикаторній панелі потрібну частоту, наприклад, 1кГц (при цьому повинно бути чути звук працюючого гучномовця).
Г) Встановити осцилограф в положення РОЗГОРТКИ і ручкою ВИХІД електронного блоку добитися рівності на екрані осцилографа амплітуд синусоїд, які знімаються з клем X i Y електронного блоку.
Д) Перевести осцилограф в режим роботи ФАЗОВА ПЛОЩИНА. Ручками управління променем вивести в центр екрана осцилографа еліпс фігури Лісажу.
Е) Плавним перміщенням мікрофона вздовж хвильовода встановити фігупи Лісажу, які відповідають фазам коливання: =0 і  =2.
Є) Виміряти відстань між мікрофоном і гучномовцем для обох фаз.
Ж) За формулою (1) визначити швидкість звуку в повітрі (340 м/с).
З) Приймаючи за еталонне значення швидкостізвуку в повітрі 340 м/с визначити відносну похибку вимірювань: =(Ve-V)/ Ve
2.    Визначення швидкості звуку в металевому стержні:
А) Ввімкнути кнопку МЕТАЛ.
Б) Ручкою регулювання частоти встановити потрібну частоту (наприклад 8500 Гц).
В) Встановити осцилограф в положення розгортки і ручками ВИХІД електронного блоку і ПІДСИЛЕННЯ осцилографа встановити амплітуду зображення сигналу на 1/3 екрану.
Г) Регулюючи величину зазорів між датчиками і стержнем та повільно змінюючи частоту генератора, добитися різкого збільшення амплітуди зображення сигналу на екрані осцилографа. Записати частоту генератора.
Д) За формулою (2) визначити швидкість звуку в металевому стержні.
Е) Порівнюючи одержане значення швидкості звуку з данними збірника для даного матнріалу стержня, що приведені в табл. 1 визначити відносну похибку визначення швидкості звуку: =(Ve-V)/ Ve


Матеріал    Швидкість звуку, м/с (при t=20C)
Алюміній
Латунь
Сталь    5080
3490
5170


КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
1.    Що таке звук?
2.    Які властивості звуку?
3.    Пояснити процес проходження звуку в різних середовищах.
4.    До якого виду відносять звукові хвилі?
5.    Від чого залежить швидкість поширення звуку?
6.    Яке значення звукових явищ в природі та техніці?
7.    Який діапазон звукових хвиль?
8.    Що таке ультра- та інфразвук?

Л І Т Е Р А Т У Р А

1. Анциферов Л.И., Пищиков И.М. Практикум по методике и технике школьного физического эксперемента.– М.: Просвещение, 1984.–225 с.
2. Буров В.А., Иванов А.И., Свиридов В.И. Фронтальные эксперентальные задания по физике: 10 кл. – М.: Просвещение, 1987. – 48 с.
3. Величко С.П., Ковальов І.З. Лазер в шкільному курсі фізики. – К.: Радянська школа, 1989. – 143 с.
4. Гайдучок Г.М., Нижник В.Г. Фронтальний експеримент з фізики у 7-11 класах середньої школи. – К.: Рад. шк., 1989. – 175 с.
5. Комплект оптического оборудования “Свет” ФПВ 05 (Паспорт на оборудование ГИФК.161414.001 ПС), 1989.
6. Коршак Є.В., Миргородський Б.Ю. Методика та техніка шкільного фізичного експерименту. Практикум. – К.: Вища школа, 1981. – 280 с.
7. Лабораторний практикум по физике /Под ред. А.С.Ахматова.– М.: Высш. школа, 1980. – 360 с.
8. Програми середньої загальноосвітньої школи. Фізика., К.:Рад.шк., 1992.
9. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.В., Фізика: Підручник для 11 кл. Сер. Шк. – К.: Радянська школа, 1991. – 272 с.
10. Шахмаев Н.М., Павлов Н.И., Тыщук В.И. Фіизический эксперимент в средней школе: Колебания и волны. Квантовая физика. – М.: Просвещение, 1991. – 223 с.
11. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика: Підручник для 9-кл. Сер. Шк. – К.: Радянська школа, 1990. – 207 с.
12. Шахмаев Н.М., Шилов В.Ф.: Физический эксперемент в средней школе. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. – М.: Просвещение, 1989. – 225 с.
13. Чепуренко В.Г., Нижник В.Г., Гайдучок Г.М. Лабораторні роботи з фізики у 8 – 10 класах. – К.: Радянська школа, 1976. – 257 с.