Введение

Экспериментальный акустический аппарат

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 используется в обучении благодаря возможности демонстрации продольных волн в газе (которые часто бывает трудно визуализировать). В настоящее время он применяется преимущественно для демонстрации стоячих волн и акустических сил.

Как это работает

Трубка представляет собой прозрачную горизонтальную трубу, содержащую небольшое количество мелкого порошка, такого как пробковая пыль, тальк или ликоподий. На одном конце трубки расположен источник звука с одной частотой (чистый тон). Кундт использовал металлический стержневой резонатор, который он приводил в вибрацию трением, но в современных демонстрациях обычно используется динамик, подключенный к генератору сигналов, создающему синусоидальную волну. Другой конец трубки закрыт подвижным поршнем, который можно использовать для регулировки длины трубки. Генератор звука включается, и поршень регулируется до тех пор, пока звук из трубки внезапно не станет значительно громче. Это указывает на то, что трубка находится в состоянии резонанса. Это означает, что длина пути звуковой волны в прямом и обратном направлении, от одного конца трубки до другого и обратно, кратна длине волны λ звуковой волны. Следовательно, длина трубки кратна половине длины волны. В этот момент звуковые волны в трубке принимают форму стоячих волн, а амплитуда колебаний воздуха равна нулю в равноудаленных точках вдоль трубки, называемых узлами. Порошок уносится движущимся воздухом и оседает небольшими кучками или линиями в этих узлах, поскольку воздух там неподвижен. Расстояние между кучками равно половине длины волны λ/2 звука. Измеряя расстояние между кучками, можно определить длину волны λ звука в воздухе. Если известна частота f звука, то умножение ее на длину волны дает скорость звука c в воздухе: детальное движение порошка на самом деле обусловлено эффектом, называемым акустическим потоком, вызванным взаимодействием звуковой волны с приграничным слоем воздуха на поверхности трубки.

Дальнейшие эксперименты

Наполняя трубку газами, отличными от воздуха, и частично откачивая её вакуумным насосом, Кундт также смог вычислить скорость звука в различных газах при разных давлениях. Для создания колебаний Кундт закрывал другой конец трубки неплотно прилегающей пробкой, к которой был прикреплен металлический стержень, выступающий в трубку и зафиксированный в центре. При протирании стержня вдоль его длины куском кожи, покрытым канифолью, он начинал колебаться вдоль своей основной частоты, издавая высокий звук. Зная скорость звука в воздухе, Кундт смог вычислить скорость звука в металле резонаторного стержня. Длина стержня L была равна половине длины волны звука в металле, а расстояние между скоплениями порошка d – половине длины волны звука в воздухе. Таким образом, отношение этих двух величин равнялось отношению скоростей звука в этих двух материалах.

Причина точности

Менее точный метод определения длины волны с помощью трубки, использовавшийся до Кундта, заключается в простом измерении длины трубки в состоянии резонанса, которая приблизительно равна целому числу половин длин волны. Проблема этого метода в том, что при возбуждении трубки воздуха источником звука, её длина в резонансе не равна точно целому числу половин длин волны. Поскольку воздух у источника звука, вблизи диффузора динамика, вибрирует, он не находится точно в узле (точке нулевой амплитуды) стоячей волны. Фактический узел располагается на некотором расстоянии за концом трубки. Метод Кундта позволил с высокой точностью определять фактическое положение узлов.