Трубка Кундта - Kundt's 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 аппарат, изобретенный в 1866 году немецким физиком Августом Кундтом для измерения скорости звука в газе или твердом стержне. 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 стоячих волн и акустических сил.

Как это устроено

Трубка представляет собой прозрачную горизонтальную трубку, содержащую небольшое количество мелкого порошка, такого как пробковая пыль, тальк или Lycopodium . На одном конце трубки находится источник звука одной частоты ( чистый тон ). Кундт использовал металлический стержневой резонатор, который заставлял вибрировать или «звенеть», протирая его, но современные демонстрации обычно используют громкоговоритель, прикрепленный к генератору сигнала, производящему синусоидальную волну . 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 в резонансе . Это означает , что длину пути туда и обратно звуковые волны, от одного конца трубки к другим и обратно, является кратной длиной волны Х из звуковых волн . Следовательно, длина трубки кратна половине длины волны. В этот момент звуковые волны в трубке имеют форму стоячих волн , а амплитуда колебаний воздуха равна нулю на равноудаленных интервалах вдоль трубки, называемых узлами . Порошок улавливается движущимся воздухом и оседает небольшими кучками или линиями в этих узлах, потому что там воздух неподвижен и тих. Расстояние между сваями составляет половину длины волны λ / 2 звука. Измеряя расстояние между сваями, можно определить длину волны λ звука в воздухе. Если частота звука f известна, умножение ее на длину волны дает скорость звука c в воздухе:

${\ displaystyle c = \ lambda f \,}$

Детальное движение порошка на самом деле происходит из-за эффекта, называемого акустическим течением, вызванного взаимодействием звуковой волны с пограничным слоем воздуха на поверхности трубки.

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 в продольном направлении куском кожи, покрытым канифолью , стержень вибрировал продольно на своей основной частоте , издавая высокую ноту. Как только скорость звука в воздухе была известна, это позволило Кундту вычислить скорость звука в металле стержня резонатора. Длина стержня L была равна половине длины волны звука в металле, а расстояние между стопками порошка d равнялось половине длины волны звука в воздухе. Таким образом, соотношение двух было равно соотношению скорости звука в двух материалах:

${\ displaystyle {\ frac {c _ {\ text {metal}}} {c _ {\ text {air}}}} = {\ frac {f \ lambda _ {\ text {metal}}} {f \ lambda _ { \ text {air}}}} = {\ frac {\ lambda _ {\ text {metal}}} {\ lambda _ {\ text {air}}}} = {\ frac {L} {d}} \, }$

Причина точности

Современная версия эксперимента с трубкой Кундта, используемая на уроках физики в университете Южной Америки. Вместо прозрачной трубки с порошком в ней для выявления узлов используются микрофоны, установленные в трубке. Поршень (справа в центре) перемещается вперед и назад. Когда микрофон находится в узлах волны, звуковое давление падает до нуля. Мощность звука микрофонов записывается на самописец (в центре сзади) .

Менее точный метод определения длины волны с помощью трубки, который использовался 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. Поскольку воздух на исходном конце трубки, рядом с диафрагмой динамика, колеблется, он находится не 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

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

Рекомендации

дальнейшее чтение

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