음파 및 도플러 이동

음파가 전파됨에 따라, 그것은 주기적으로 압축하고 희귀 (확산) 어떤 위치에서 공기 분자. 압력과 밀도 의 관계는 온도에 따라 달라지므로 공기를 통과하는 소리의 속도도 온도에 따라 달라지며 다음과 같이 정의됩니다.

(방정식 1)

여기서 T_C는 섭씨(°C)의 공기 온도이고 v는 초당 미터(m/s)로 측정되는 음파의 속도입니다. 고전적으로, 파도의 속도는 다음과 같이 정의됩니다:

(방정식 2)

여기서 λ는 파장(m) 또는 압력 파사이의 거리, 및 f는 주파수(Hz) 또는 단위 시간당 파수입니다. 수학식 1은 정지 중인 공기에 대한 추정입니다. 음파의 매체가 이동하는 경우, 소리의 속도는 움직임의 방향에 따라 변경됩니다. 예를 들어, 강한 바람의 방향으로 반대 방향으로 움직이는 음파는 바람의 속도에 의해 속도가 감소 할 가능성이 높습니다. 이 실험에서는 이 효과가 무시할 수 있습니다.

소리의 소스가 속도 또는 방향을 변경하고 매체가 일반적으로 정지에있을 때, 음파의 속도에 변화가 없다. 그러나, 관찰자는 도플러 효과로 인해 주파수의 잘못된 증가 또는 감소를 들을 수 있다. 파도의 근원이 관찰자에게 더 가까워지면 파도가 더 가까운 위치에서 방출됩니다. 그들은 여전히 동일한 주파수에서 방출되지만 소스 이동으로 상대적 위치로 인해 관찰자가 함께 모여 더 높은 주파수로 보입니다. 소스가 관찰자에서 멀어질 때 동일한 논리로 관찰자는 낮은 주파수에서 소리를 듣습니다. 이 효과를 이해하는 가장 쉬운 방법은 보행자를 향해 운전하는 사이렌이있는 경찰차를 상상하는 것입니다 : 보행자를 향해 운전할 때 보행자의 빈도는 마침내 차가 보행자를 통과 할 때까지 더 높고 높아지는 것처럼 보이며 보행자는 자동차가 멀리 운전할 때 감소하는 주파수를 듣기 시작합니다. 관찰된 주파수 f와 방출된 주파수 f₀ 사이의 관계는 다음에 의해 정의됩니다.

여기서 c는 공기 중음파의 속도이고, v_r은 매체에 상대하는 수신기의 속도(= 수신기가 쉬고 있는 경우= 0), v_s는 매체에 비해 소스의 속도이다.

이 실험에서는 다양한 주파수와 파장을 사용하여 소리의 속도를 계산하고 그 속도를 이론적 속도와 비교합니다. 우리는 또한 튜닝 포크에 의해 방출 주파수에 도플러 효과를 관찰할 것입니다.

1. 소리의 속도 측정

1. 설정: 광학 벤치에서 서로 마주보고 있는 두 개의 스피커. 한 스피커는 BNC 티의 한쪽에 기능(신호) 생성기로 연결되어야 하며, BNC 티의 다른 쪽은 오실로스코프의 채널 A에 연결되어야 합니다. 두 번째 스피커는 오실로스코프의 채널 B에 연결해야 합니다.
2. 신호 발생기와 진동을 켜고 발전기의 다이얼을 조정하여 5kHz 파를 생성합니다. 함수 생성기에 연결된 스피커는 경보처럼 들리는 안정적인 피치를 생성해야 하며 오실로스코프에 두 개의 파도가 나타나야 합니다.
3. 두 파도가 단계에 들어갈 때까지 벤치를 따라 채널 B에 연결된 스피커를 밀어 넣습니다. 두 스피커 사이의 거리를 기록합니다.
4. 웨이브가 위상이 없도록 채널 B 스피커를 천천히 뒤로 밉히합니다. 파도가 다시 단계에 들어갈 때까지 뒤로 계속 미끄러진다. 스피커 사이의 새 거리를 기록합니다.
5. 이초기로부터 마지막 거리를 빼서 소리의 파장을 찾습니다. 이 값과 주파수를 사용하여 방정식 2를 사용하여 관찰된 사운드 속도를 계산합니다.
6. 8kHz 및 3kHz 주파수에 대해 1.3-1.5 단계를 반복합니다. 파장과 주파수 사이의 역비례 관계를 확인합니다.
7. 실험 속도를 교실 온도를 사용하여 예상 속도와 비교합니다.

2. 튜닝 포크 /도플러 장치도플러 효과

비디오는 도플러 장치를 사용하여 실험을 시연하지만, 이 같은 실험은 튜닝 포크를 사용하여 수행 될 수있다. 튜닝 포크를 사용하는 프로토콜은 여기에 설명되어 있습니다.

1. 튜닝 포크의 끝에 1m 길이의 끈조각을 묶습니다. 허리 길이로 유지하면 튜닝 포크가 가까이 가지만 바닥에 닿지 않아야합니다.
2. 마이크를 오실로스코프 채널에 연결하고 마이크를 고정 거리(약 1.5m)에 배치합니다.
3. 튜닝 포크를 누르고 마이크에서 1.5m 지점에서 사운드를 만들고 제자리에 고정합니다. 화면에 표시되는 파도 수를 확인합니다.
4. 튜닝 포크를 다시 치고 일정한 속도로 원로로 포크를 스윙하기 시작합니다.
5. 스윙 튜닝 포크를 관찰하는 사람들은 포크가 그들을 향해 스윙으로, 주파수, 또는 피치가 더 높아지는 것을 알 수 있습니다. 동시에, 오실로스코프는 화면에 약간 더 많은 파도를 표시해야합니다. 그들로부터 멀어지면 피치가 낮아지고 오실로스코프가 화면에 약간 덜 파도를 표시해야 합니다. 오실로스코프 뷰의 예는 아래 그림 1을 참조하십시오.

그림 1: 오실로스코프에 의해 캡처 된 도플러 효과를 겪고 튜닝 포크의 음파의 묘사. 포크가 마이크를 향해 흔들리면 음파가 가까운 거리에서 방출되고 더 높은 피치의 환상을 만듭니다. 참고: 오실로스코프 모니터에서 추적되는 파도 의 빈도의 변화는 미묘할 수 있으며, 음파 진폭이 볼륨(또는 '음량')에 비례하기 때문에 파도의 진폭도 튜닝 포크의 위치에 따라 변경됩니다.

객실 온도 : 20 ° C

예상 속도: v = 331.4 + 0.6(20) = 343.4 m/s

방정식 2를사용하면 사운드 속도를 상당히 정확한 값으로 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 첫 번째 주파수의 경우, f = 5kHz = 5,000Hz = 5,000Hz 및 λ = 6.90cm = 0.069 m, 그래서 속도 = λf = 5,000 x 0.069 = 345 m/s. 예상 속도와 관찰된 속도 사이의 오류를 확인하기 위해 다음을 사용합니다.

도플러 효과는 튜닝 포크 또는 다른 사운드 방출 물체의 스윙에 의해 분명합니다. 튜닝 포크가 마이크를 향해 흔들리면서 음파가 함께 모여 오실로스코프의 음파가 번지면서 더 높은 주파수를 생성합니다. 포크가 흔들리면 파도가 더 퍼지고 오실로스코프의 파도도 마찬가지입니다.

이 실험에서는 사운드의 웨이브 특성이 정의되고 탐구됩니다. 구체적으로, 음파 주파수, 파장 및 속도 간의 관계가 확인되었다. 튜닝 포크는 하나의 주파수만 방출하도록 설계되어 도플러 효과를 입증하는 최적의 장치입니다. 튜닝 포크가 관찰자로부터 더 가까워지고 더 멀리 이동함에 따라 주파수가 각각 더 높고 낮은 피치로 나타납니다. 도플러 효과와 방정식 2는 모두 빛과 같은 다른 파형으로 확장할 수 있습니다.

인간으로서 우리는 매일 의사소통을 위해 음파를 사용합니다. 그러나 이러한 형태의 의사 소통 중 하나는 우리 종들이 어떻게 먼저 소리의 물리학을 활용했는지를 나타냅니다: 음악, 특히 호흡이 필요한 악기. 트럼펫, 튜바 또는 플루트와 같은 개방형 공기 기둥 계측기는 때때로 곡선이 있는 중공 튜브 내부에 둘러싸인 공기 기둥으로 구성됩니다. 공기가 기기로 밀려나면 내부에서 진동이 발생하여 압력 파가 튜브 내부를 반사합니다. 그러나 특정 파장및 주파수의 압력 파동만이 사고 파를 방해하기 시작하여 서 있는 압력파를 생성합니다. 각 악기에는 진동하거나 공명하는 자연 주파수 세트가 있습니다. 이들은 고조파에게 불리고 각 고조파는 그것의 끝점, 파장 및 주파수에 의해 정의된 특정 서 파 패턴과 연관됩니다. 플루트에서, 구멍은 경계의 유효 길이를 줄이기 위해 플루트를 따라 열 수 있으므로 파장을 줄이고 주파수를 증가시킵니다. 트럼펫에서 밸브는 크기가 다른 트럼펫의 다른 부분을 통해 항공 을 이동하게하여 파장과 주파수의 변화가 다시 발생합니다.

도플러 효과의 주목할만한 응용 프로그램은 기상 학자가 날씨 이벤트를 읽는 데 사용하는 도플러 레이더입니다. 일반적으로 송신기는 기상 관측소에서 하늘을 향해 특정 주파수에서 전파를 방출합니다. 전파는 구름과 강수량에서 튀어 나와 기상 관측소로 돌아갑니다. 구름이나 강수량이 역에서 멀어지면 역으로 반사되는 파도의 빈도가 감소하는 반면, 대기 물체가 역쪽으로 이동하는 경우 무선 주파수가 증가하는 것으로 보인다. 이 기술은 풍속과 방향을 결정하기 위해 적용할 수도 있습니다.

도플러 효과는 또한 의학 물리학에 응용 프로그램이 있습니다. 도플러 심초음파에서 특정 주파수의 음파가 심장으로 전달되고 심장과 혈관을 통해 움직이는 혈액 세포를 반사합니다. 도플러 레이더와 마찬가지로 심장 전문의는 반사 후 수신된 주파수의 변화로 인해 심장의 혈류의 속도와 방향을 이해할 수 있습니다. 이것은 그(것)들이 심혼에 있는 방해의 지역을 확인하는 것을 도울 수 있습니다.