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 Lý chọn đề tài 2 Mục tiêu đề tài Phạm vi nghiên cứu Bố cục đề tài B Nội dung đề tài Giới thiệu sóng âm Giao thoa sóng Sóng dừng 4 Cơ sở lý thuyết 5 Phương pháp tạo sóng dừng cột không khí xác định vận tốc âm Dụng cụ thí nghiệm Kết thu C Kết luận kiến nghị 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Giao diện chương trình phần mềm hoạt động……………………………… Hình 2: Kết xác định vị trí L1 L2 tần số 500 Hz………………………… 10 Hình 3: Kết tính toán vận tốc âm tần số 500 Hz ………………………………… 10 Hình 4: Kết tính toán vận tốc âm tần số 600 …………………………………… 11 Hình 5: Kết tính toán vận tốc âm tần số 700 Hz………………………………… 11 A Mở đầu Lý chọn đề tài Hiện máy tính áp dụng rộng rãi vào ngành khoa học kỹ thuật đem lại nhiều lợi ích mà người mong muốn như: độ xác cao, tính trực quan, xử lý nhiều loại tín hiệu thông qua cảm biến, quan trọng việc tính toán lưu số liệu nhanh chóng Nắm bắt xu hướng đó, nghiên cứu áp dụng việc đưa máy tính vào thí nghiệm Vật lý để nhằm cải tiến, nâng cao thêm chất lượng thí nghiệm, từ thầy cô dễ dàng giảng đưa nhiều ví dụ thực tế cho sinh viên thông qua nguồn video âm Qua giúp sinh viên dễ dàng nắm lý thuyết có hứng thú trình thực thí nghiệm Trong chương trình thí nghiệm Vật lý đại cương, lựa chọn “Khảo sát cộng hưởng sóng dừng cột không khí, xác định vận tốc truyền âm không khí”, để áp dụng máy tính để đo xử lý số liệu Hiện tượng truyền sóng cộng hưởng sóng âm không khí khó để quan sát mắt thường Vì việc thầy, cô giảng giải lý thuyết giải thích trình xảy thực thí nghiệm gặp nhiều khó khăn, từ dẫn tới sinh viên khó hiểu nội dung mục đích thí nghiệm Chính thực nghiên cứu xây dựng phần mềm máy tính để khảo sát tượng sóng dừng cột không khí, xác định vận tốc âm, dựa thiết bị thí nghiệm có cách trực quan việc hiển thị biểu đồ sóng hình máy tính Mục tiêu đề tài - Thu thập tài liệu, nhắc lại số khái niệm giúp sinh viên dễ hiểu sóng âm, tượng sóng dừng - Chế tạo mạch điện thu thập xử lý tín hiệu giao tiếp với máy tính - Xây dựng chương trình phần mềm Matlab, hiển thị biểu đồ sóng âm máy tính - Xây dựng chương trình xử lý số liệu thu thập từ cảm biến xác định vận tốc âm không khí phần mềm Visual Basic 6.0 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu tượng sóng dừng cột không khí có đầu hở cột không khí có hai đầu hở Sử dụng phần mềm Matlab phần mềm Visual Basic để hiển thị biểu đồ sóng thu thập liệu tính toán xác định vận tốc âm Bố cục đề tài Bố cục đề tài gồm ba phần phần Mở đầu, phần Nội dung đề tài, phần Kết luận kiến nghị Ngoài có phần Mục lục Tài liệu tham khảo B Nội dung đề tài Giới thiệu sóng âm 1.1 Định nghĩa Sóng âm sóng học truyền môi trường rắn, lỏng, khí (Sóng dao động lan truyền môi trường vật chất) 1.2 Tính chất đặc trưng sóng âm a) Đặc trưng vật lý sóng âm - Sóng âm chất dao động sóng học sóng âm lan truyền môi trường có vật chất Vì sóng âm lan truyền chất rắn, chất lỏng, chất khí không lan truyền chân không - Nguồn âm vật dao động phát âm - Trong môi trường, âm truyền với tốc độ xác định Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi, mật độ nhiệt độ môi trường Khi âm truyền từ môi trường sang môi trường khác vận tốc, bước sóng sóng âm thay đổi tần số sóng âm không thay đổi - Sóng âm đặc trưng tần số, cường độ (hoặc mức cường độ âm) đồ thị dao động âm - Cường độ âm I điểm đại lượng đo lượng mà sóng âm tải qua đơn vị diện tích đặt điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng đơn vị thời gian; đơn vị W/m2: 𝐼 = 𝑊 𝑆𝑡 𝑃 = W, P, S, t công, công suất, diện 𝑆 tích, thời gian Với nguồn âm có công suất P âm phát theo hướng cường độ âm điểm cách nguồn âm khoảng R là: 𝐼 = 𝑃 4𝜋𝑅 - Đại lượng 𝐿 = 𝑙𝑔 𝐼/𝐼0 với I0 chuẩn cường độ âm (âm nhỏ vừa đủ nghe, thường lấy chuẩn cường độ âm I0 = 10-12 W/m2 với âm có tần số 1000 Hz) gọi mức cường độ âm âm có cường độ I Đơn vị mức cường độ âm ben (B) Trong thực tế người ta thường dùng ước số ben đêxiben (dB): dB = 0,1 B 𝑚 - Vận tốc truyền âm không khí 0C 330 ± ( ) 𝑠 b) Đặc trưng sinh lý sóng âm - Độ cao: đặc trưng sinh lí phụ thuộc vào tần số âm, không phụ thuộc vào lượng âm - Độ to: đặc trưng sinh lí phụ thuộc vào tần số âm mức cường độ âm - Âm sắc: đặc trưng âm giúp ta phân biệt âm phát từ nguồn khác Âm sắc liên quan đến đồ thị dao động âm Âm sắc phụ thuộc vào tần số biên độ hoạ âm 1.3 Phân loại - Sóng hạ âm: sóng âm có tần số thấp 20 Hz - Sóng âm thanh: sóng âm nằm vùng tần số 20 Hz ̶ 20 kHz - Sóng siêu âm: sóng âm có tần số cao 20 kHz - Sóng tạp âm: sóng âm tần số xác định Giao thoa sóng Khái niệm: Giao thoa sóng tổng hợp hai hay nhiều sóng kết hợp mà cho phương truyền sóng điểm dao động với biên độ cực đại điểm dao động với biên độ cực tiểu - Sóng kết hợp: sóng tạo từ hai nguồn kết hợp có tần số độ lệch pha không đổi theo thời gian Sóng dừng a) Định nghĩa: Sóng dừng sóng có nút bụng cố định không gian (Sóng dừng trường hợp giao thoa sóng sóng tới sóng phản xạ gặp phương truyền sóng) b) Đặc điểm: - Sự truyền lượng sóng dừng: Nút sóng đứng yên nên không thực công Do lượng không truyền qua nút Bụng không biến dạng, nên bụng không thực hiên công Do lượng không truyền qua bụng - Trong bó sóng, lượng truyền từ đầu đến đầu bó sóng - Trên bó sóng điền kiện lý tưởng, nút hoàn toàn đứng yên, điểm lại 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 bó sóng đặn đối xứng thực chất lưu ảnh mắt võng mạc mà - Các điểm đối xứng qua bụng dao động pha Các điểm đối xứng qua nút dao dộng ngược pha - Các điểm nằm bó sóng (2 nút sóng liên tiếp) dao động pha Các điểm nằm thuộc hai bó sóng liên tiếp dao dộng ngược pha Cơ sở lý thuyết 4.1 Sóng âm truyền ống đầu kín, đầu hở Giả sử chọn thời điểm ban đầu thích hợp để sóng tới có tần số f phát từ nguồn âm, truyền vào ống, gây điểm N mặt piston 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 mặt piston dao động, có nghĩa sóng phản xạ N ngược pha biên độ với sóng tới: X N  a0 sin(t )  a0 sin(2 ft ) (2) Chúng triệt tiêu toàn li độ nhau: X N  X1N  X N  Ta lại xét tiếp điểm M nằm cách điểm N khoảng y = MN Vì sóng âm truyền không khí với vận tốc v, nên dao động sóng tới ( từ nguồn âm Đ) gây điểm M sớm pha lượng t  y so với dao động N, tức dao động v sóng tới gây điểm M thời điểm t giống hệt dao động điểm N thời điểm y (t  ) nghĩa là: v y X 1M  a0 sin[2 f (t  )] v (3) Ngược lại sóng phản xạ từ mặt piston gây điểm M chậm pha lượng t  y so với dao động điểm N, tức dao động điểm M thời điểm t giống hệt dao v động điểm N thời điểm t  y : v Như sóng tổng hợp điểm M là: y y X M  X 1M  X M  a0 sin[2 f (t  )]  a0 sin[2 f (t  )] v v  X M  2.a0 sin(2 f y ).cos(2 ft ) v (4) Trong bước sóng λ sóng âm liên hệ với tần số f công thức:  v f (5) Phương trình (5) cho thấy biên độ sóng tổng hợp điểm M không phụ thuộc vào thời gian mà phụ thuộc vào tọa độ y, bằng: a  2a0 sin(2 y  ) (6) Vì sóng tổng hợp ống có tên gọi sóng dừng Từ (7) cho thấy biên độ lớn sóng dừng 2a0 - Vị trí nút sóng, điểm a cực tiểu là: sin(2 y  )   2 y   k hay y  k  với k = 0, 1, 2, (7) - Vị trí bụng sóng, biên độ a cực đại là: sin(2 y  )  1  2 y   (2k  1)  hay y  (2k  1)  với k = 0, 1, 2, (8) Công thức (7) (8) cho thấy: - N nút sóng k = y = - Các nút sóng bụng sóng phân bố sen kẽ cách Khoảng cách hai nút hai bụng sóng nửa bước sóng: d  yk 1  yk   (9) - Nếu ta thay đổi mức chiều dài cột không khí ống cho chiều dài cột không khí L thỏa mãn điều kiện: Lk    với k = 0, 1, 2, (10) Khi đó, từ (7), (8) N nút sóng, suy điểm gần miệng ống bụng sóng, lúc kim μA lệch cực đại 4.2 Sóng âm truyền hai đầu hở Khi có sóng âm truyền ống, phản xạ sóng xảy hai đầu: đầu kín đầu hở ống Tại đầu kín, không khí dịch chuyển qua mặt kín, mặt kín có nút dao động, đầu hở ống tương ứng với bụng sóng Nguyên nhân gây cộng hưởng sóng âm hai đầu ống hở phần lý giải phức tạp so với cộng hưởng sóng âm ống có đầu hở, đầu kín Khi hai miệng ống hở, làm có sóng phản xạ ống để xảy tượng cộng hưởng? Ta biết sóng âm truyền từ môi trường sang môi trường khác bước sóng có thay đổi tần số không đổi Vì bước sóng thay đổi mà đảm bảo liên tục truyền pha dao động sóng phải tự điều chỉnh chuyển từ dạng sang dạng khác (trong ống sáo dạng sóng phẳng, khỏi ống dạng sóng cầu) từ môi trường sang môi trường khác, cách làm mà không phát triển nút có phản xạ vị trí tiếp giáp hai môi trường vị trí mà sóng âm bắt đầu thay đổi dạng sóng Điều tương tự xảy sóng âm ống có hai đầu hở Sự khác biệt sóng âm tự điều chỉnh từ sóng phẳng sang sóng cầu nên tạo nên phản xạ sau khí sóng âm thoát khỏi ống (lúc miệng ống phía âm phát coi nguồn âm thứ hai tần số với nguồn âm chính) Trong trường hợp hai đầu ống hở, cộng hưởng sóng dừng, hai đầu hở ống bụng dao động Điều kiện cộng hưởng sóng dừng trường hợp là: Lk  với k = 1, 2, 3, (11) Với k = 1, chiều dài ống nửa bước sóng, ta gọi mode cộng hưởng bản, mode cộng hưởng với k = 2, 3, ta gọi mode cộng hưởng bậc 1, bậc 2, Phương pháp tạo sóng dừng cột không khí xác định vận tốc âm Dùng phần mềm tạo dao động điện hình sin có tần số f máy tính, sau kết nối máy tính với loa điện động, chuyển tín hiệu điện sang tín hiệu âm tần số Đối với ống có đầu kín đầu hở Khi sóng âm phát từ loa truyền vào ống không khí, gặp bề mặt piston sóng âm bị phản xạ trở lại Sóng phản xạ kết hợp với sóng tới, hai sóng có tần số ngược pha phương truyền Sau piston di chuyển đến vị trí thỏa mãn điều kiện cộng hưởng công thức (10), miệng ống bụng sóng cho cường độ âm lớn Trên miệng ống ta đặt microphone để thu tín hiệu âm Khi di chuyển piston, hai vị trí gần mà micorophone thu tín hiệu âm lớn khoảng cách nửa bước sóng Dựa vào công thức (5) ta xác định vận tốc âm Đối với ống hai đầu hở Ta kéo piston khỏi ống không khí Thay đổi tần số phát âm từ 0Hz đến 1000Hz, thỏa mãn điều kiện cộng hưởng (11) hai miệng ống bụng sóng cho cường độ âm lớn Trong trình tăng tần số phát, giá trị tần số mà tượng cộng hưởng sóng dừng xảy tần số ứng với ống có nút hai miệng ống hai bụng Dựa vào công thức (11) ta xác định vận tốc âm không khí Dụng cụ thí nghiệm (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 (2) (1) (3) (2) (4) (5) (6) (4) (3) Kết thu Hình 1: Giao diện chương trình phần mềm hoạt động Hình 2: Kết xác định vị trí 𝐿1 𝐿2 tần số 500 Hz Hình 3: Kết tính toán vận tốc âm tần số 500 Hz 10 Hình 4: Kết tính toán vận tốc âm tần số 600 Hz Hình 5: Kết tính toán vận tốc âm tần số 700 Hz 11 C Kết luận kiến nghị Kết luận: Đề tài đạt mục tiêu đề xây dựng chương trình xử lý tín hiệu hiển thị biểu đồ sóng âm máy tính Xây dựng chương trình xử lý tín hiệu, xác định vận tốc truyền âm không khí Kiến nghị: Do kiến thức lập trình hạn chế nên đề tài đạt số kết định Qua kính mong quan tạo điều kiện thời gian khoản nhỏ kinh phí để phát triển thành nhóm chuyên nghiên cứu cải thiện áp dụng công nghệ thông tin vào thí nghiệm lại TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Vật lý đại cương, Bộ môn Vật lý, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tài liệu lập trình Visual Basic bản, trung tâm tin học 14 Bà triệu Giáo trình lập trình vi điều khiển Pic16f8xx, Bộ môn tự động hóa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Control System Toolbox & Simulink, Trần Đình Khôi Quốc, BM Tự động hóa tdkquoc@dgn.vnn.vn http:/ www.Mathworks.com/ 12