Thí nghiệm đo vận tốc âm bằng VĐK pic 16f877 + VB6.0+Matlab

Hiện nay máy tính đang được áp dụng rộng rãi vào các ngành khoa học kỹ thuật đã đem lại nhiều lợi ích mà con người mong muốn như: độ chính xác cao, tính trực quan, xử lý được nhiều loại tín hiệu thông qua những bộ cảm biến, và quan trọng là việc tính toán và lưu số liệu rất nhanh chóng.Nắm bắt được xu hướng đó, chúng tôi đã nghiên cứu áp dụng việc đưa máy tính vào các bài thí nghiệm Vật lý để nhằm cải tiến, và nâng cao thêm chất lượng những bài thí nghiệm, từ đó thầy cô cũng dễ dàng giảng bài và đưa được nhiều ví dụ thực tế cho sinh viên thông qua những nguồn video hoặc âm thanh. Qua đây giúp sinh viên dễ dàng nắm được lý thuyết và có hứng thú hơn trong quá trình thực hiện bài thí nghiệm.

MỤC LỤC

A Mở đầu 2

1 Lý do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Bố cục đề tài 3

B Nội dung đề tài 3

1 Giới thiệu về sóng âm 3

2 Giao thoa sóng 4

3 Sóng dừng 4

4 Cơ sở lý thuyết 5

5 Phương pháp tạo sóng dừng trong cột không khí và xác định vận tốc âm 8

6 Dụng cụ thí nghiệm 9

7 Kết quả thu được 9

C Kết luận và kiến nghị 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Giao diện chương trình khi phần mềm hoạt động……… 9

Hình 2: Kết quả xác định vị trí L1 và L2 tại tần số 500 Hz……… 10

Hình 3: Kết quả tính toán vận tốc âm tại tần số 500 Hz ……… 10

Hình 4: Kết quả tính toán vận tốc âm tại tần số 600 ……… 11

Hình 5: Kết quả tính toán vận tốc âm tại tần số 700 Hz……… 11

2

A Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay máy tính đang được áp dụng rộng rãi vào các ngành khoa học kỹ thuật đã đem lại nhiều lợi ích mà con người mong muốn như: độ chính xác cao, tính trực quan, xử

lý được nhiều loại tín hiệu thông qua những bộ cảm biến, và quan trọng là việc tính toán

và lưu số liệu rất nhanh chóng

Nắm bắt được xu hướng đó, chúng tôi đã nghiên cứu áp dụng việc đưa máy tính vào các bài thí nghiệm Vật lý để nhằm cải tiến, và nâng cao thêm chất lượng những bài thí nghiệm, từ đó thầy cô cũng dễ dàng giảng bài và đưa được nhiều ví dụ thực tế cho sinh viên thông qua những nguồn video hoặc âm thanh Qua đây giúp sinh viên dễ dàng nắm được lý thuyết và có hứng thú hơn trong quá trình thực hiện bài thí nghiệm

Trong chương trình thí nghiệm Vật lý đại cương, chúng tôi đã lựa chọn bài “Khảo sát cộng hưởng sóng dừng trong cột không khí, xác định vận tốc truyền âm trong không khí”, để áp dụng máy tính để đo và xử lý số liệu Hiện tượng truyền sóng và cộng hưởng sóng âm trong không khí rất khó để quan sát được bằng mắt thường Vì vậy việc thầy, cô giảng giải lý thuyết và giải thích quá trình xảy ra trong khi thực hiện thí nghiệm gặp nhiều khó khăn, từ đó dẫn tới sinh viên khó hiểu được nội dung và mục đích của bài thí nghiệm Chính vì vậy chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu và xây dựng phần mềm trên máy tính để khảo sát hiện tượng sóng dừng trong cột không khí, xác định vận tốc âm, dựa trên thiết bị thí nghiệm đã có một cách trực quan bằng việc hiển thị biểu đồ sóng trên màn hình máy tính

2 Mục tiêu của đề tài

- Thu thập tài liệu, nhắc lại một số khái niệm giúp sinh viên dễ hiểu hơn về sóng âm, hiện tượng sóng dừng

- Chế tạo mạch điện thu thập và xử lý tín hiệu giao tiếp với máy tính

- Xây dựng chương trình trên phần mềm Matlab, hiển thị biểu đồ sóng âm trên máy tính

- Xây dựng chương trình xử lý số liệu thu thập từ cảm biến và xác định vận tốc âm trong không khí bằng phần mềm Visual Basic 6.0

3 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu hiện tượng sóng dừng trong cột không khí có một đầu

hở và trong cột không khí có hai đầu hở Sử dụng phần mềm Matlab và phần mềm Visual Basic để hiển thị biểu đồ sóng và thu thập dữ liệu tính toán xác định vận tốc âm

4 Bố cục đề tài

Bố cục đề tài gồm ba phần chính là phần Mở đầu, phần Nội dung đề tài, phần Kết luận và kiến nghị Ngoài ra có phần Mục lục và Tài liệu tham khảo

B Nội dung đề tài

1 Giới thiệu về sóng âm

1.1 Định nghĩa

Sóng âm là sóng cơ học truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí (Sóng cơ là dao

động cơ lan truyền trong môi trường vật chất)

1.2 Tính chất đặc trưng của sóng âm

a) Đặc trưng vật lý của sóng âm

- Sóng âm về bản chất là dao động sóng cơ học vì vậy sóng âm chỉ lan truyền được trong môi trường có vật chất Vì vậy sóng âm lan truyền được trong chất rắn, chất lỏng, chất khí và không lan truyền được trong chân không

- Nguồn âm là các vật dao động phát ra âm

- Trong một môi trường, âm truyền với một tốc độ xác định Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi, mật độ và nhiệt độ của môi trường Khi âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì vận tốc, bước sóng của sóng âm thay đổi còn tần số của sóng âm thì không thay đổi

- Sóng âm được đặc trưng bằng tần số, cường độ (hoặc mức cường độ âm) và đồ thị dao động của âm

- Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian; đơn vị W/m2: 𝐼 =𝑊

𝑆𝑡 =𝑃

𝑆 trong đó W, P, S, t lần lượt là công, công suất, diện

4

tích, và thời gian Với nguồn âm có công suất P và âm phát ra như nhau theo mọi hướng thì cường độ âm tại điểm cách nguồn âm một khoảng R là: 𝐼 = 𝑃

4𝜋𝑅 2

- Đại lượng 𝐿 = 𝑙𝑔 𝐼/𝐼0 với I0 là chuẩn cường độ âm (âm rất nhỏ vừa đủ nghe, thường lấy chuẩn cường độ âm I0 = 10-12 W/m2 với âm có tần số 1000 Hz) gọi là mức cường độ âm của âm có cường độ I Đơn vị của mức cường độ âm là ben (B) Trong thực

tế người ta thường dùng ước số của ben là đêxiben (dB): 1 dB = 0,1 B

- Vận tốc truyền âm trong không khí ở 0 0C là 330 ± 1 (𝑚

𝑠)

b) Đặc trưng sinh lý của sóng âm

- Độ cao: là một đặc trưng sinh lí phụ thuộc vào tần số âm, không phụ thuộc vào năng lượng âm

- Độ to: là một đặc trưng sinh lí phụ thuộc vào tần số âm và mức cường độ âm

- Âm sắc: là đặc trưng của âm giúp ta phân biệt được các âm phát ra từ các nguồn khác nhau Âm sắc liên quan đến đồ thị dao động âm Âm sắc phụ thuộc vào tần số và biên độ của các hoạ âm

1.3 Phân loại

- Sóng hạ âm: là sóng âm có tần số thấp hơn 20 Hz

- Sóng âm thanh: là sóng âm nằm trong vùng tần số 20 Hz ̶ 20 kHz

- Sóng siêu âm: là sóng âm có tần số cao hơn 20 kHz

- Sóng tạp âm: là sóng âm không có tần số xác định

2 Giao thoa sóng

Khái niệm: Giao thoa sóng là sự tổng hợp của hai hay nhiều sóng kết hợp mà cho trên phương truyền sóng những điểm dao động với biên độ cực đại hoặc những điểm dao động với biên độ cực tiểu

- Sóng kết hợp: là sóng được tạo từ hai nguồn kết hợp có cùng tần số và độ lệch pha không đổi theo thời gian

3 Sóng dừng

a) Định nghĩa: Sóng dừng là sóng có những nút và những bụng cố định trong không

gian (Sóng dừng là trường hợp giao thoa sóng trong đó sóng tới và sóng phản xạ gặp

nhau trên phương truyền sóng)

b) Đặc điểm:

- Sự truyền năng lượng trong sóng dừng: Nút sóng luôn đứng yên nên nó không thực hiện công Do đó năng lượng không truyền qua được nút Bụng không biến dạng, nên bụng không thực hiên công Do đó năng lượng cũng không truyền qua bụng

- Trong mỗi bó sóng, năng lượng truyền từ đầu này đến đầu kia của bó sóng

- Trên một bó sóng trong điền kiện lý tưởng, các nút hoàn toàn đứng yên, các điểm còn lại vẫn dao động với tốc độ dao động (tốc độ dao dộng: v = u’ khác với tốc độ truyền sóng: v = f.λ)

- Hình ảnh sóng dừng mà ta quan sát gồm các bó sóng đều đặn và đối xứng thực chất chỉ là sự lưu ảnh của mắt trên võng mạc mà thôi

- Các điểm đối xứng qua một bụng thì dao động cùng pha Các điểm đối xứng qua một nút thì dao dộng ngược pha

- Các điểm nằm trên cùng một bó sóng (2 nút sóng liên tiếp) thì dao động cùng pha Các điểm nằm thuộc hai bó sóng liên tiếp thì dao dộng ngược pha

4 Cơ sở lý thuyết

4.1 Sóng âm truyền trong ống một đầu kín, một đầu hở

Giả sử chọn thời điểm ban đầu thích hợp để sóng tới có tần số f phát ra từ nguồn âm,

truyền vào trong ống, gây ra tại điểm N ngay trên mặt piston một dao động có dạng:

X1N a0.sin(t) a0.sin(2ft) (1)

Gặp bề mặt piston, sóng bị phản xạ, truyền theo hướng ngược lại với chiều sóng tới Thực tế phần tử nằm ngay trên mặt piston không thể dao động, có nghĩa là sóng phản xạ tại N ngược pha và cùng biên độ với sóng tới:

X2N  a0sin(t)  a0sin(2ft) (2)

Chúng triệt tiêu toàn bộ li độ của nhau: X N  X1N X2N  0

Ta lại xét tiếp một điểm M nằm cách điểm N một khoảng y = MN Vì sóng âm truyền đi trong không khí với vận tốc là v, nên dao động do sóng tới ( từ nguồn âm Đ) gây

ra tại điểm M sẽ sớm pha một lượng t y

v

  so với dao động tại N, tức là dao động do

6

sóng tới gây ra tại điểm M ở thời điểm t sẽ giống hệt dao động tại điểm N ở thời điểm

(t y)

v

 nghĩa là:

X1M a0sin [2 f t( y)]

v



  (3)

Ngược lại do sóng phản xạ từ mặt piston gây ra tại điểm M sẽ chậm pha một lượng

y

t

v

  so với dao động tại điểm N, tức là dao động tại điểm M ở thời điểm t giống hệt dao

động tại điểm N ở thời điểm t y

v

 :

Như vậy sóng tổng hợp tại điểm M sẽ là:

1 2 0 sin [2 ( )] 0 sin [2 ( )]

0

2 .sin(2 ) os(2 )

M

y

v

(4)

Trong đó bước sóng λ của sóng âm liên hệ với tần số f bởi công thức:

v

f



(5) Phương trình (5) cho thấy biên độ sóng tổng hợp tại điểm M không phụ thuộc vào

thời gian mà chỉ phụ thuộc vào tọa độ y, và bằng:

a 2 sin(2a0  y)



 (6)

Vì thế sóng tổng hợp trong ống có tên gọi là sóng dừng Từ (7) cho thấy biên độ lớn

nhất của sóng dừng bằng 2a0

- Vị trí của các nút sóng, tại điểm a cực tiểu là:

sin(2 y) 0 2 y k

     hay y k 2



 với k = 0, 1, 2, (7)

- Vị trí các bụng sóng, tại đó biên độ a cực đại là:

sin(2 ) 1 2 (2 1)

2

       hay y (2k 1)4



  với k = 0, 1, 2, (8)

Công thức (7) và (8) cho thấy:

- N là các nút sóng vì khi k = 0 thì y = 0

- Các nút sóng và các bụng sóng phân bố sen kẽ cách đều nhau Khoảng cách giữa

hai nút hoặc giữa hai bụng sóng kế tiếp bằng nửa bước sóng:

1

2

k k



   (9)

- Nếu ta thay đổi mức chiều dài cột không khí trong ống sao cho chiều dài cột không

khí L thỏa mãn điều kiện:

với k = 0, 1, 2, (10)

Khi đó, từ (7), (8) và N luôn là một nút sóng, suy ra điểm gần miệng ống luôn là một

bụng sóng, lúc này kim μA sẽ lệch cực đại

4.2 Sóng âm truyền trong hai đầu hở

Khi có sóng âm truyền trong ống, sự phản xạ của sóng xảy ra ở cả hai đầu: đầu kín

và đầu hở của ống Tại đầu kín, không khí không thể dịch chuyển qua mặt kín, do đó tại

mặt kín sẽ có một nút dao động, tại đầu hở của ống tương ứng với một bụng sóng

Nguyên nhân gây ra cộng hưởng sóng âm khi hai đầu ống cùng hở phần lý giải phức

tạp hơn so với cộng hưởng sóng âm trong ống có một đầu hở, một đầu kín Khi hai miệng

ống đều hở, làm thế nào có sóng phản xạ trong ống để xảy ra hiện tượng cộng hưởng? Ta

biết rằng khi sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì bước sóng có sự

thay đổi còn tần số thì không đổi Vì bước sóng thay đổi mà vẫn đảm bảo sự liên tục

truyền pha dao động cho nên sóng phải tự điều chỉnh khi chuyển từ dạng này sang dạng

khác (trong ống sáo dạng sóng phẳng, ra khỏi ống là dạng sóng cầu) hoặc từ môi trường

này sang môi trường khác, và cách duy nhất nó có thể làm mà không phát triển một nút là

có một sự phản xạ ngay tại vị trí tiếp giáp giữa hai môi trường hoặc tại vị trí mà sóng âm

8

bắt đầu thay đổi dạng sóng Điều tương tự đang xảy ra ở đây đối với sóng âm trong ống

có hai đầu hở Sự khác biệt duy nhất là sóng âm đang tự điều chỉnh từ là một sóng phẳng sang là một sóng cầu nên tạo nên một phản xạ sau khí sóng âm thoát ra khỏi ống (lúc này tại miệng ống phía âm phát ra được coi như một nguồn âm thứ hai cùng tần số với nguồn

âm chính)

Trong trường hợp cả hai đầu ống đều hở, khi cộng hưởng sóng dừng, tại hai đầu hở của ống đều là bụng dao động Điều kiện cộng hưởng sóng dừng trong trường hợp này sẽ là:

2

 với k = 1, 2, 3, (11)

Với k = 1, chiều dài ống bằng nửa bước sóng, ta gọi là mode cộng hưởng cơ bản, các mode cộng hưởng với k = 2, 3, ta gọi là các mode cộng hưởng bậc 1, bậc 2,

5 Phương pháp tạo sóng dừng trong cột không khí và xác định vận tốc âm

Dùng phần mềm tạo dao động điện hình sin có tần số f trên máy tính, sau đó kết nối

máy tính với loa điện động, chuyển tín hiệu điện sang tín hiệu âm thanh cùng tần số

Đối với ống có một đầu kín một đầu hở Khi sóng âm được phát ra từ loa truyền vào trong ống không khí, khi gặp bề mặt piston sóng âm bị phản xạ trở lại Sóng phản xạ kết hợp với sóng tới, đây là hai sóng có cùng tần số nhưng ngược pha và phương truyền Sau khi piston di chuyển đến vị trí thỏa mãn điều kiện cộng hưởng ở công thức (10), thì tại miệng ống là bụng sóng cho cường độ âm lớn nhất Trên miệng ống ta đặt microphone để thu tín hiệu âm Khi di chuyển piston, tại hai vị trí gần nhau nhất mà micorophone thu được tín hiệu âm lớn nhất thì khoảng cách đó chính bằng một nửa bước sóng Dựa vào công thức (5) ta sẽ xác định được vận tốc âm

Đối với ống hai đầu hở Ta kéo piston ra khỏi ống không khí Thay đổi tần số phát

âm từ 0Hz đến 1000Hz, khi nào thỏa mãn điều kiện cộng hưởng (11) thì tại hai miệng ống

là bụng sóng và cho cường độ âm lớn nhất Trong quá trình tăng tần số phát, giá trị tần số đầu tiên mà hiện tượng cộng hưởng sóng dừng xảy ra thì đó là tần số cơ bản ứng với trong ống có một nút hai miệng ống là hai bụng Dựa vào công thức (11) ta cũng xác định được vận tốc âm trong không khí

6 Dụng cụ thí nghiệm

7 Kết quả thu được

Hình 1: Giao diện chương trình khi phần mềm hoạt động

(1)

(2)

(2)

(3)

(3)

(4)

(4)

(5)

(1) Cột không khí có chiều dài 1m (2) Cảm biến độ dịch chuyển

(3) Mạch giao tiếp máy tính

(4) Loa điện động

(5) Máy tính

(6) Piston

(6)

10

Hình 3: Kết quả tính toán vận tốc âm tại tần số 500 Hz Hình 2: Kết quả xác định vị trí 𝐿1 và 𝐿2 tại tần số 500 Hz

Hình 5: Kết quả tính toán vận tốc âm tại tần số 700 Hz Hình 4: Kết quả tính toán vận tốc âm tại tần số 600 Hz

12

C Kết luận và kiến nghị

Kết luận: Đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra là xây dựng được chương trình xử lý tín hiệu hiển thị biểu đồ sóng âm trên máy tính Xây dựng được chương trình xử lý tín hiệu, xác định được vận tốc truyền âm trong không khí

Kiến nghị: Do kiến thức lập trình còn hạn chế nên đề tài cũng đạt được một số kết quả nhất định Qua đây kính mong cơ quan tạo điều kiện về thời gian và một khoản nhỏ kinh phí để chúng tôi có thể phát triển thành nhóm chuyên nghiên cứu và cải thiện áp dụng công nghệ thông tin vào những bài thí nghiệm còn lại

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Vật lý đại cương, Bộ môn Vật lý, Trường Đại học

Mỏ - Địa chất

2 Tài liệu lập trình Visual Basic cơ bản, trung tâm tin học 14 Bà triệu

3 Giáo trình lập trình vi điều khiển Pic16f8xx, Bộ môn tự động hóa, Trường Đại học

Mỏ - Địa chất

4 Control System Toolbox & Simulink, Trần Đình Khôi Quốc, BM Tự động hóa

5 http:/ www.Mathworks.com/