Schallwellen und Dopplereffekt

Quelle: Arianna Brown, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics & Astronomie, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA

Wellen sind Störungen, die durch einen materiellen Mittel oder leeren Raum zu verbreiten. Lichtwellen können Reise durch ein Vakuum und einige Formen von Materie und sind quer in der Natur, was bedeutet, dass die Schwingungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Jedoch Schallwellen sind Druckwellen, die durch ein elastisches Medium wie Luft zu reisen, und längs in der Natur, was bedeutet, dass die Schwingungen parallel zur Ausbreitungsrichtung. Wenn Sound zu einem Medium durch ein vibrierendes Objekt, wie die Stimmbänder einer Person oder Zeichenfolgen in ein Klavier eingeführt wird erleben die Partikel in der Luft vorwärts und rückwärts Bewegung, da das vibrierende Objekt vorwärts und rückwärts bewegt. Dies führt zu Regionen in der Luft, wo die Luftpartikel zusammen, komprimiert werden, genannt Verdichtungen und anderen Regionen, wo sie auseinander, verbreitet werden, genannt Verdünnungen. Die Energie, die durch eine Schallwelle oszilliert zwischen der potentiellen Energie durch die Kompressionen und die kinetische Energie des kleinen Bewegungen und Geschwindigkeiten der Teilchen des Mediums erstellt.

Verdichtungen und Verdünnungen können verwendet werden, definieren die Beziehung zwischen Schallwelle Geschwindigkeit und Frequenz. Das Ziel dieses Experiments ist zur Messung der Schallgeschwindigkeit in Luft und erkunden die sichtbare Veränderung in der Häufigkeit für ein Objekt emittierende Schallwellen aus der Bewegung der Doppler-Effekt genannt.

Wie eine Schallwelle breitet sich, in regelmäßigen Abständen komprimiert und rarefies (breitet sich) die Luftmoleküle an jedem Standort ein. Da die Beziehung zwischen Druck und Dichte temperaturabhängig ist, wird die Geschwindigkeit der Klang Reisen durch Luft ist auch temperaturabhängig und definiert als:

(Gleichung 1)

wo ist T_C Lufttemperatur in Grad Celsius (° C) und v die Geschwindigkeit der Schallwelle gemessen in Meter pro Sekunde (m/s). Klassisch, ist die Geschwindigkeit einer Welle definiert als:

(Gleichung 2)

wo λ ist die Wellenlänge (m), oder der Abstand zwischen Druckwellen und f ist die Frequenz (Hz) oder die Anzahl der Wellen pro Zeiteinheit. Gleichung 1 ist eine Schätzung für die Luft, die bei Stillstand; Wenn das Medium der Schallwelle unterwegs ist, ändert sich die Geschwindigkeit des Schalls abhängig von der Richtung der Bewegung. Zum Beispiel haben Schallwellen bewegt sich in Richtung der starken Winde gegenüber wahrscheinlich seine Geschwindigkeit verringerte sich um die Geschwindigkeit des Windes. In diesem Experiment ist dieser Effekt vernachlässigbar.

Wenn die Quelle der Geschwindigkeit oder die Richtung und das Medium ändert, ist in der Regel im Stillstand, es gibt keine Änderung in der Geschwindigkeit der Schallwelle. Allerdings kann ein Beobachter hören ein falsches erhöhen oder verringern in Frequenz durch den Doppler-Effekt. Wie die Quelle der Wellen gehen Sie näher an den Betrachter, werden die Wellen in Positionen emittiert, die näher beieinander liegen. Sie sind noch auf der gleichen Frequenz, aber wegen ihrer relativen Positionen ausgegeben, wie die Quelle bewegt, dass sie den Betrachter gebündelt zusammen erreichen und scheinbar mit einer höheren Frequenz. Mit der gleichen Logik wenn die Quelle weg vom Beobachter bewegt hört der Betrachter den Sound bei niedrigeren Frequenzen. Der einfachste Weg, diesen Effekt zu verstehen ist ein Polizeiauto mit einer Sirene fahren Sie in Richtung eines Fußgängers vorstellen: wie es auf die Fußgänger treibt, die Häufigkeit an, die Fußgänger scheint zu bekommen höher und höher, bis schließlich das Auto des Fußgängers geht und die Fußgängerzone beginnt, Frequenzen zu hören, die als das Auto fährt weg verringern. Die Beziehung zwischen der beobachteten Frequenz f und abgestrahlte Frequenz f₀ ist definiert durch:

wobei c die Geschwindigkeit von Schallwellen in Luft, V_R ist die Geschwindigkeit des Empfängers gegenüber dem Medium und (= 0, wenn der Empfänger im Ruhezustand ist), und V-_s ist die Geschwindigkeit der Quelle bezogen auf das Medium.

In diesem Experiment wir berechnen die Schallgeschwindigkeit mit verschiedenen Frequenzen und Wellenlängen, und vergleichen Sie die Geschwindigkeit, die theoretische Geschwindigkeit. Wir werden auch den Doppler-Effekt auf den Frequenzen, die durch eine Stimmgabel emittiert beobachten.

1. Messung der Schallgeschwindigkeit

1. Eingerichtet: zwei Lautsprecher, die einander auf einer optischen Bank. Ein Redner sollte an einem Funktionsgenerator (Signal) auf der einen Seite ein BNC-t-Stück, mit der anderen Seite die BNC-t auf Kanal A auf dem Oszilloskop angeschlossen angeschlossen werden. Der zweite Redner sollte an Kanal B in das Oszilloskop angeschlossen werden.
2. Schalten Sie den Signalgenerator und Oszilloskop, und passen Sie das Wählrad auf der Generator eine 5 kHz Welle zu produzieren. Der Lautsprecher verbunden, der Funktionsgenerator sollte eine stetige Tonhöhe, die klingt nach einem Alarm erzeugen und zwei Wellen auf dem Oszilloskop erscheinen soll.
3. Schieben Sie den Lautsprecher, der auf Kanal B entlang der Bank verbunden ist, bis die zwei Wellen phasengleich sind. Notieren Sie den Abstand zwischen den beiden Lautsprechern.
4. Schieben Sie langsam den Kanal B Lautsprecher nach hinten, so dass die Wellen phasenverschoben sind. Weiter nach hinten schieben, bis die Wellen wieder phasengleich sind. Notieren Sie den neuen Abstand zwischen den Lautsprechern.
5. Subtrahieren Sie die endgültige Entfernung von der ersten, die Wellenlänge des Schalls zu finden. Verwenden Sie diesen Wert und die Häufigkeit die beobachteten Schallgeschwindigkeit mit Gleichung 2berechnen.
6. Wiederholen Sie Schritte 1,3-1,5 für 8 kHz und 3 kHz Frequenz. Beachten Sie die umgekehrt proportionale Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz.
7. Vergleichen Sie die experimentelle Geschwindigkeiten um die erwartete Geschwindigkeit verwenden Klassenzimmer Temperatur.

(2) Doppler-Effekt mit einer Stimmgabel/Doppler-Apparatur

Das Video zeigt ein Experiment mit einem Doppler Apparat, aber das gleiche Experiment konnte mit Hilfe einer Stimmgabel durchgeführt werden. Das Protokoll mit einer Stimmgabel wird hier beschrieben:

1. Binden Sie ein 1 m langes Stück Schnur an das Ende einer Stimmgabel. Wenn in Taillenlänge gehalten, sollte die Stimmgabel nahe bekommen aber nicht den Boden berühren.
2. Schließen Sie ein Mikrofon mit einem Oszilloskop-Kanal und positionieren Sie das Mikrofon in einem festen Abstand (ca. 1,5 m).
3. Drücken Sie die Stimmgabel um einen Sound zu schaffen und halten Sie auf 1,5 m vom Mikrofon. Beachten Sie, wie viele Wellen auf dem Bildschirm angezeigt.
4. Drücken Sie erneut die Stimmgabel und starten Sie schwingen der Gabel um im Kreis bei konstanter Geschwindigkeit.
5. Die Beobachtung, dass die schwingende Stimmgabel wird bemerken, dass als die Gabel gegenüber ihnen, die Frequenz oder Tonhöhe, schwingt werden höher. Gleichzeitig sollte das Oszilloskop etwas mehr Wellen auf dem Bildschirm zeigen. Als es von ihnen schwingt, die Tonhöhe wird geringer und das Oszilloskop sollte etwas weniger Wellen auf dem Bildschirm angezeigt. Siehe Abbildung 1 unten ein Beispiel für ein Oszilloskop-Ansicht.

Abbildung 1 : Darstellung einer Stimmgabel Schallwellen durchläuft der Doppler-Effekt, wie von einem Oszilloskop erfasst. Als die Gabel gegen das Mikrofon schwingt, die Schallwellen werden in engeren Abständen abgegeben und die Illusion von einer höheren Tonlage. Hinweis: Die Änderung der Frequenz der Wellen auf dem Oszilloskop Monitor verfolgt kann subtil sein und die Amplitude der Wellen ändert sich auch relativ zur Position der Stimmgabel als Schallwelle Amplitude proportional zum Volumen (oder "Lautstärke") ist.

Raumtemperatur: 20 ° C

Erwartete Geschwindigkeit: V = 331.4 + 0.6(20) = 343.4 m/s

Gleichung 2kann, die Geschwindigkeit des Schalls auf eine ziemlich genaue Wert berechnet werden. Zum Beispiel für die erste Frequenz f = 5 kHz = 5.000 Hz und λ = 6,90 cm = 0,069 m, also Geschwindigkeit = λf = 5.000 x 0,069 = 345 m/s. Um den Fehler zwischen der erwarteten Geschwindigkeit und die beobachteten Geschwindigkeit zu bestimmen, verwenden wir die folgenden:

Der Doppler-Effekt wird durch das Schwingen der Stimmgabel oder jede andere emittierende Soundobjekt deutlich werden. Als der Stimmgabel in das Mikrofon schwingt, bekommen die Schallwellen gebündelt zusammen produzieren eine höhere Frequenz, wie offensichtlich durch die Bündelung von Schallwellen auf dem Oszilloskop. Als die Gabel Weg schwingt, die Wellen werden mehr ausbreiten und so die Wellen auf dem Oszilloskop.

In diesem Experiment werden die Wellennatur des Klanges definiert und erforscht. Insbesondere das Verhältnis zwischen Schallwelle Frequenz, Wellenlänge und Geschwindigkeit wurden bestätigt. Stimmgabeln sollen nur eine Frequenz, so dass sie optimale Geräte des Dopplereffekts nachweisen zu emittieren. Da die Stimmgabel näher rückt und weiter von dem Betrachter die Frequenz höher und niedriger erscheint aufgeschlagen, beziehungsweise. Der Doppler-Effekt und die Gleichung 2 erweiterbar auf andere Formen der Wellen, wie Licht.

Als Menschen verwenden wir Schallwellen um jeden Tag zu kommunizieren. Jedoch eine dieser Formen der Kommunikation wirklich repräsentiert wie unsere Spezies zunächst die Klangphysik nutzbar gemacht: Musik, Instrumente, die Atem erfordern besonders. Open-End Luft Spalte Instrumente wie Trompete, Tuba, Querflöte, oder bestehen aus einer Luftsäule im Inneren ein hohles Rohr, das manchmal gekrümmt ist eingeschlossen. Wie Luft in das Gerät geschoben wird, tritt eine Schwingung im Inneren, die bewirkt, die Druckwellen dass, die Innenseiten der Röhre zu reflektieren. Jedoch nur Druckwellen bestimmte Wellenlängen und Frequenzen mit spiegeln so eine Weise, die sie anfangen zu stören den Vorfall so erstellen Druck Stehwellen Wellen. Jedes Musikinstrument hat eine Reihe von Eigenfrequenzen, an denen es vibriert, oder schwingt. Diese nennt man die Obertöne und jede harmonische ist verbunden mit einem bestimmten stehende Wellenmuster durch seine Endpunkte, Wellenlänge und Frequenz definiert. Eine Flöte können Löcher entlang der Querflöte, die wirksame Länge der Grenzen, daher reduziert die Wellenlänge und die Häufigkeit zu reduzieren geöffnet werden. In eine Trompete machen Ventile die Flugreisen durch verschiedene Teile der Trompete, die verschiedene Größen, was wieder zu Veränderungen in Wellenlänge und Frequenz sind.

Eine bemerkenswerte Anwendung des Doppler-Effekts ist die Doppler-Radar, verwendet von Meteorologen Wetterereignisse zu lesen. In der Regel strahlt ein Sender Radiowellen bei einer bestimmten Frequenz in den Himmel von einer Wetterstation. Die Radiowellen aus Wolken und Niederschlag hüpfen und dann reisen Sie zurück in die Wetterstation. Die Frequenz der Wellen reflektiert zurück zum Bahnhof erscheinen, wenn die Wolken und Niederschlag von der Station abrücken zu verringern, die Radio-Frequenz ergibt sich erhöhen, wenn die atmosphärische Objekte in Richtung der Station bewegen. Diese Technik kann auch angewendet werden, um Windgeschwindigkeit und Richtung zu bestimmen.

Der Doppler-Effekt hat auch Anwendungen in der medizinischen Physik. In einem Doppler-Echokardiographie Schallwellen einer bestimmten Frequenz sind kanalisiert ins Herz und reflektieren von Blutzellen durch das Herz und die Blutgefäße. Ähnlich wie bei der Doppler-Radar, Kardiologen die Geschwindigkeit und die Richtung des Blutflusses im Herzen durch die Verschiebung der Frequenzen nach Reflexion erhalten verstehe. Damit können sie Bereiche der Obstruktion im Herzen zu identifizieren.