Практическая часть Описание установки

Измерение скорости звука. Схема установки показана на рис. 3. Ультразвуковой передатчик, работающий в импульсном режиме, излучает механические волны в направлении отражающей поверхности (экрана). Длительность импульсов УЗ составляет 200 мкс, период следования импульсов – 20 мс, частота ультразвукового сигнала – 40 кГц. Механическая волна, отразившись от экрана, попадает в приемник, который преобразует ее в электрический сигнал. Этот сигнал подается на усилитель. Зная расстояние от передатчика до экрана и приемника, и измерив задержку между моментом начала излучения волны, генерируемой передатчиком, и временем поступления отраженной волны в приемник, определяем скорость распространения ультразвука в воздухе.

Рис. 3. Схема установки для измерения скорости ультразвука

1 – блок генератора с усилителем; 2 – измерительное устройство Кобра; 3 – передатчик; 4 – приемник; 5 – экран; 6 – выход усилителя; 7 – вход усилителя BNS; 8 – выходы генератора

Проверка эффекта Доплера. Приемник и передатчик УЗ устанавливаются на одной линии. Каждый из них по очереди размещается на тележке с моторчиком. Измеряются частота УЗ сигнала, регистрируемого приемником, и скорость движения тележки. Для измерения скорости используется датчик светового барьера, работающий на принципе прерывания светового сигнала флажком, установленным на тележке.

Правила техники безопасности

1. Перед началом выполнения работы пригласите инженера для проверки правильности сборки установки.

2. Следите за правильностью подключения блоков питания (адаптеров) к измерительным устройствам.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Определение скорости ультразвуковой механической волны в воздухе.

1. Соберите установку (рис. 3):

• Придвиньте держатели с установленными в них передатчиком и приемником УЗ сигнала вплотную друг к другу. Разверните передатчик и приемник ультразвуковой перпендикулярно к экрану, удаленному от них на расстояние L = 30 см. Проследите, чтобы передатчик и приемник УЗ находились на одном уровне над поверхностью стола.

• Выполните необходимые соединения проводов (рис. 3), проведя следующие операции. Подсоедините передатчик УЗ сигнала к выходу TR 1 генератора, а приемник УЗ к входу усилителя – гнезду «BNS». Соедините выход «SYNC» генератора с аналоговым входом «Analog In 1/S1» универсального измерительного устройства Кобра, а выход усилителя с аналоговым входом «Analog In 2/S2» устройства Кобра. Следите за правильностью подключения контакта «земля» переходников к аналоговым входам (рис. 4).

Рис. 4. Подключение одного из переходников к устройству Кобра

• Выполните необходимые установки переключателей, проведя следующие операции. Переключатель режима работы генератора установите в положение «burst / импульс». В этом случае генератор (передатчик) будет работать в импульсном режиме. Ручку регулировки выходного сигнала «Transmitter Ampl.» установите приблизительно в среднее положение.

• Установите переключатели усилителя в среднее положение. Обратите внимание, чтобы усилитель во время работы не переходил в режиме насыщения (в этом случае загорается лампочка «OVL», сигнализирующая о перегрузке).

• Подсоедините устройство Кобра к компьютеру с помощью USB (или RS 232) кабеля. Подключите усилитель и устройство Кобра в сеть с помощью адаптеров (источников питания соответственно на 5 В и 12 В).

2. Запустите программное обеспечение Measure. Из меню «Прибор» выберите пункт «Универсальный измеритель». В открывшемся окне перейдите на закладку «Быстрое измерение» и установите значения параметров, приведенные на рис. 5.

Рис. 5. Окно закладки «Быстрое измерение»

Рис. 6. Вид временной зависимости последовательности пар

импульсов, подаваемых на передатчик и поступающих

от приемника

3. Запустите режим измерения сигналов, подаваемых на передатчик U₁ = f(t) и поступающих с усилителя U₂ = f(t), нажав на кнопку «Далее» (рис. 5). Примерный вид этих зависимостей показан на рис. 6. Если амплитуда сигнала U₁ меньше 4 В, то повторите измерения увеличив напряжение, подаваемое на передатчик. Точный вид зависимостей U₁ = f(t) и U₂ = f(t) на экране монитора не отображается в виду достаточно большой (по сравнению с периодом УЗ колебаний) постоянной времени устройства Кобра.

4. Измерьте длительность интервала времени t, равного времени распространения УЗ волны от передатчика до приемника. Для этого с помощью инструмента «лупа» выделите область между началом импульса, поступающим на передатчик с генератора, и ответным импульсом, поступившим с усилителя. С помощью инструмента и компьютерной мыши выделите прямоугольную область. Установите границы этой области таким образом, чтобы ее левый и правый края совпали бы соответственно с передними фронтами импульсов U₁ = f(t) и U₂ = f(t) (рис. 7). Длительность интервала t будет указана на экране в отдельной прямоугольной области (обозначена как x).

Рис. 7. Иллюстрация процедуры измерения временного интервала Dt

5. Перейдите к предыдущему экрану, нажав на кнопку «Подгонка» . Повторите п. 4 для другой пары импульсов U₁ = f(t) и U₂ = f(t).

6. Рассчитайте скорость звука как отношение пути S, пройденного УЗ волной к интервалу времени t. Для расчета пути, воспользуйтесь теоремой Пифагора: S = 2(L² + (d/2)²)^1/2, где d – расстояние между передатчиком и приемником УЗ.

7. Рассчитайте погрешность определения скорости распространения УЗ в воздухе. Сравните полученное значение с данными других опытов (табличными данными).

8. ^* Повторите п.п. 2 – 6 для 5 – 6 других расстояний L, расположенных в диапазоне от 30 до 100 см. Постройте график зависимости пути S, пройденной УЗ волной от времени t ее распространения от передатчика до приемника. С помощью метода наименьших квадратов или парных точек рассчитайте скорость УЗ в воздухе и ее погрешность.

Упражнение 2. Экспериментальная проверка ультразвукового эффекта Доплера.

1. Соберите установку как показано на рис. 8. Приемник подсоедините ко входу BNS усилителя. Расстояние между передатчиком и приемником не должно превышать 80 см.

Рис. 8. Общая схема установки для изучения эффекта Доплера

1 – блок генератора с усилителем; 2 – измерительное устройство Кобра; 3 – приемник; 4 – передатчик; 5 – датчик светового барьера; 6 – тележка; 7 – трек

2. Отключите соединение выход «SYNC» генератора – аналоговый вход «Analog In 1/S1» универсального измерительного устройства Кобра, а выход усилителя соедините с входом «Timer/Counter 2» устройства Кобра как показано на рис. 9. Подсоедините световой барьер к устройству Кобра в соответствии с рис. 8, 9. Переключатель режима работы генератора установите в положение «cont / непрерывный». В этом случае генератор (передатчик) будет работать в режиме непрерывной генерации УЗ сигнала.

Рис. 9. Схема подключения

3. Запустите программу измерения Measure и в меню «Прибор» выберите «Таймер / Счетчик». Затем, перейдя в закладку «Счетчик», выставьте параметры частоты измерения как показано на рис. 10. Нажмите на кнопку «Далее».

4. Проведите регулировку сигналов. Ручку регулировки выходного сигнала «Transmitter Ampl.» генератора установите приблизительно в среднее положение. Установите переключатели усилителя (ручки грубой и плавной регулировки) в среднее положение. Измерение частоты принимаемого сигнала производится нажатием кнопки «Начало», находящейся в окне «Таймер / Счетчик». Обратите внимание, чтобы усилитель во время работы не переходил в режим насыщения (в этом случае загорается лампочка «OVL», сигнализирующая о перегрузке). Проверьте силу сигнала, регистрируемого с помощью усилителя, на максимальном расстоянии между передатчиком и приемником. Если сигнал слабый, то увеличьте амплитуду сигнала, подаваемого на передатчик, и/или коэффициент усиления усилителя напряжения.

Рис. 10. Окно закладки «Счетчик»

5. Приведите тележку в движение с такой скоростью, чтобы тележка проходила трек за 15 – 20 с. Убедитесь, что при движении по треку скорость движения тележки существенно не изменяется. Это можно проконтролировать с помощью секундомера или датчика измерения скорости (светового барьера) см. п. 8. Желательно, чтобы скорость тележки не зависела от направления ее движения по треку, для чего с помощью регулировочного винта трек можно изменить угол наклона трека к горизонту.

6. Измерьте частоту УЗ сигнала, когда тележка находится в неподвижном состоянии. Эту процедуру начните путем нажатия на кнопку «Далее», а затем на клавишу «пробел». Измерения повторите 3 – 5 раз.

7. Измерьте частоту УЗ сигнала, когда тележка приближается и удаляется при неподвижном приемнике. Измерения начинайте проводить после того, как скорость тележки станет постоянной. Процедуру измерения частоты начинайте путем нажатия на кнопку «Далее», а затем на клавишу «пробел». Постарайтесь, чтобы за время движения тележки в каждую сторону Вы успевали бы сделать по три или более измерений.

8. Занесите полученные результаты в таблицу. Учтите, что частота сигнала равна числу измеренных импульсов, умноженному на 2 (поскольку число импульсов регистрируется за 0,5 с, а не за 1 с).

9. Измерьте скорость движения тележки в тех же самых случаях, которые описаны в п. 7. Для этого выберите закладку «Таймер» окна «Таймер / Счетчик» и выставьте параметры как показано на рис. 11. Измерение скорости будет проводиться автоматически после нажатия на кнопку «Далее» и пересечения тележкой датчика светового барьера. Убедитесь, что флажок, установленный на тележке, проходит через световой барьер после того, как установится постоянная скорость движения тележки! Скорость в прямом и обратном направлении может отличаться ввиду особенностей конструкции тележки. Если скорость тележки не остается постоянной и уменьшается в течение нескольких экспериментов при одинаковых условиях, замените батареи в тележке.

10. Повторите процедуру измерения скорости при разных скоростях движения тележки и при приближении и удалении передатчика от приемника.

11. Поменяйте местами приемник и передатчик и повторите п.п. 7 – 10.

Рис. 11. Окно закладки «Таймер»

12. Сравните полученные результаты с положениями теории, позволяющей рассчитать зависимость регистрируемых частот УЗ от скоростей движения источника и приёмника. Для этого сопоставьте измеренное в п. 6 упражнения 2 значение частоты со значением, рассчитанным по формуле (7). Оцените погрешность значений левой и правой частей уравнения (7).

Упражнение 3^*. Определение длины УЗ волны.

1. По данным, полученным в ходе выполнения упражнений 1 и 2, рассчитайте длину УЗ волны данного источника.

2. Оцените погрешность полученного значения.

Примечание: Задания, отмеченные звездочкой, выполняются студентами физических специальностей

Контрольные вопросы

1. В чем заключается акустический эффект Доплера?

2. От чего зависит величина доплеровского изменения (сдвига) частоты звука?

3. Приведите примеры использования эффекта Доплера.

4. Поясните принцип работы эхолота.

5. Объясните идею метода определения скорости распространения механической УЗ волны.

6. Назовите основные характеристики звуковой волны.

7. Какими особенностями обладают ультразвуковые волны по сравнению со звуковыми?

8. Приведите примеры использования ультразвука.

9. Автомобиль обгоняет человека, идущего по шоссе, и подает звуковой сигнал в течение времени обгона. Какое изменение частоты звука ощутит человек:  = 0;  > 0;  < 0?

10. Чему равно доплеровское изменение частоты, если источник неподвижен, а приемник перемещается перпендикулярно направлению скорости звуковой волны (движется в плоскости волнового фронта)?