Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm sóng âm

8. Cấu trúc của luận văn

2.2.3.Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm sóng âm

TBTN trên cho phép chúng tôi có thể tiến hành đƣợc các TN sau đây khi dạy học kiến thức “Sóng âm”:

- Thí nghiệm 1: Khảo sát dao động âm của các nguồn âm khác nhau. - Thí nghiệm 2: Khảo sát đặc điểm của sóng âm (dải tần nghe đƣợc của tai ngƣời).

- Thí nghiệm 3: Khảo sát sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm.

- Thí nghiệm 4: Khảo sát sự phụ thuộc của độ to vào tần số và mức cƣờng độ âm.

- Thí nghiệm 5: Khảo sát sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đƣờng biểu diễn dao động âm.

- Thí nghiệm 6: Khảo sát hiện tƣợng giao thoa sóng âm.

- Thí nghiệm 7: Khảo sát tính tuần hoàn theo không gian của quá trình truyền sóng âm, xác định tốc độ truyền âm trong không khí.

- Thí nghiệm 8: Khảo sát hiện tƣợng sóng dừng trong ống không khí, xác định tốc độ truyền âm trong không khí.

Sau đây, chúng tôi xin trình bày chi tiết các TN có thể tiến hành với TBTN.

2.2.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát dao động âm của các nguồn âm khác nhau a. Mục đích thí nghiệm

Ghi lại dạng đồ thị biểu diễn dao động âm của một số nguồn âm, từ đó phân biệt đƣợc nguồn nhạc âm và tạp âm.

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

- Hộp cảm biến đƣợc gắn trên giá, đầu thu đƣợc nối với kênh CH1 của dao động kí.

- Nguồn âm là loa: Nối loa với máy phát âm tần.

a. Nguồn âm là loa b. Nguồn âm là âm thoa

Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm kháo sát dao động âm với các nguồn âm khác nhau

- Cho dao động kí điện tử và máy phát âm tần nối với loa hoạt động. - Lần lƣợt cho các nguồn âm (loa, tiếng gõ của thanh kim loại vào miếng sắt...) hoạt động rồi đƣa micro đến gần nguồn âm, quan sát dạng đồ thị tƣơng ứng biểu diễn dao động của các nguồn âm trên màn hình dao động kí.

c. Kết quả thí nghiệm

- Nguồn nhạc âm (loa): đồ thị dao động là đƣờng cong biến thiên tuần hoàn có dạng hình sin, có tần số xác định.

- Nguồn tạp âm (tiếng gõ của thanh kim loại vào miếng sắt): đồ thị dao động là đƣờng con biến thiên không tuần hoàn và không có tần số xác định.

a b

Hình 2.4. Dạng đồ thị đường biểu diễn dao động âm ứng với các nguồn âm khác nhau: a. Nguồn nhạc âm (Loa)

b. Nguồn tạp âm (tiếng gõ kim loại) - Lưu ý:

+ Cần đƣa các nguồn âm đến gần micro để tín hiệu thu đƣợc là rõ nét. + Đối với trƣờng hợp nguồn âm là âm thoa thì cần đặt âm thoa sao cho hai nhánh của âm thoa nằm trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt của micro.

2.2.3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát các đặc điểm của sóng âm a. Mục đích thí nghiệm

Khảo sát dải tần cảm nhận (nghe) đƣợc của tai ngƣời.

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

- Gắn loa lên giá TN, nối loa với máy phát âm tần.

- Cho máy phát âm tần hoạt động, từ từ vặn núm điều chỉnh FREQUENCY và các nút điều chỉnh hệ số nhân, thay đổi tần số phát ra từ 0- 20Hz và lớn hơn 20kHz.

- Dùng tai cảm nhận âm phát ra từ loa. c. Kết quả thí nghiệm

Chỉ cảm nhận đƣợc âm phát ra từ loa trong khoảng tần số từ 20- 20000Hz, ngoài khoảng này, tai không có cảm nhận gì.

- Lƣu ý

+ Tùy vào độ tốt (thính) của tai mà khoảng nghe đƣợc của mỗi ngƣời là khác nhau, đối với ngƣời tai tốt thì dải tần nghe đƣợc cỡ 20-20000Hz, thông thƣờng khi điều chỉnh đến cỡ 16000Hz thì tai chúng ta đã không nghe (cảm nhận) đƣợc âm phát ra từ loa.

+ Loa sử dụng trong TN phải phát ra đƣợc âm trong dải tần nghe đƣợc của tai ngƣời.

2.2.3.3. Thí nghiệm 3. Khảo sát sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm a. Mục đích thí nghiệm

Thông qua TN rút ra sự phụ thuộc độ cao của âm vào tần số âm phát ra.

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

- Lắp sơ đồ thí nghiệm nhƣ hình 2.3a, nguồn âm đƣợc nối với máy phát âm tần, nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí.

- Nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí. Đặt micro của cảm biến cách nguồn một khoảng vừa phải.

- Cho các thiết bị hoạt động, thay đổi tần số của âm phát ra bằng cách vặn núm điều chỉnh FREQUENCY.

- Dùng tai cảm nhận âm phát ra, đồng thời quan sát đồ thị dao động âm thu đƣợc trên màn hình dao động kí.

c. Kết quả thí nghiệm

Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số âm, tần số càng lớn thì âm càng cao, tần số càng thấp thì âm càng trầm.

a. Âm có tần số cao(âm bổng) b. Âm có tần số thấp (âm trầm)

Hình 2.6. Đồ thị dao động âm ứng với âm có tần số khác nhau

2.2.3.4. Thí nghiệm 4. Khảo sát sự phụ thuộc của độ to vào tần số và mức cường độ âm

a. Mục đích thí nghiệm

Thông qua TN rút ra sự phụ thuộc độ cao của âm vào tần số và biên độ của âm phát ra.

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

- Lắp sơ đồ bố trí thí nghiệm nhƣ hình 3a: nguồn âm đƣợc nối với máy phát âm tần, nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí.

- Cho các thiết bị hoạt động, dịch chuyển cảm biến, đƣa micro lại gần loa + Lần 1: giữ nguyên biên độ âm (tức cƣờng độ âm không đổi), thay đổi tần số bằng cách vặn núm điều chỉnh FREQUENCY và nghe độ to của âm phát ra ứng với mỗi tần số đó.

+ Lần 2: giữ nguyên tần số âm, thay đổi biên độ âm (tức cƣờng độ âm) bằng cách vặn núm điều chỉnh AMPLITUDE và nghe độ to của âm phát ra ứng với mỗi biên độ.

c. Kết quả thí nghiệm

+ Lần1: hai âm có cùng mức cƣờng độ âm, nhƣng tần số khác nhau sẽ gây ra những cảm giác âm to nhỏ khác nhau.

+ Lần 2: khi tần số âm không đổi, âm có mức cƣờng độ âm càng lớn thì nghe càng to.

2.2.3.5. Thí nghiệm 5. Khảo sát sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đường biểu diễn dao động âm

a. Mục đích thí nghiệm:

Qua TN rút ra: các âm có cùng độ cao nhƣng có âm sắc khác nhau là do dạng đƣờng biểu diễn dao động (âm sắc) khác nhau.

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

- Lắp sơ đồ TN, cho các thiết bị hoạt động.

- Nguồn âm là loa đƣợc nói với máy phát âm tần, đồng thời giữ nguyên tần số, nhƣng để máy phát âm tần lần lƣợt ở 3 chế độ phát xung khác nhau: sin, vuông và tam giác, lần lƣợt nghe âm phát ra trong các trƣờng hợp và quan sát dạng đồ thị dao động âm tƣơng ứng trên màn hình của dao động kí điện tử.

c. Kết quả thí nghiệm

Hình 2.7. Đồ thị dao động âm ứng với các trường hợp nguồn âm phát ra sóng âm có dạng khác nhau

2.2.3.6. Thí nghiệm 6. Khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm a. Mục đích thí nghiệm

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm

- Cho các thiết bị hoạt động theo sơ đồ bố trí nhƣ hình vẽ (Hình 2.8). - Gắn hộp micro lên giá, đầu ra đƣợc nối với dao động kí, dịch chuyển sao cho micro nằm trên đƣờng thẳng nối hai loa.

c. Kết quả thí nghiệm

Quan sát đồ thị biểu diễn dao động âm tại các vị trí khác nhau của micro, rút ra kết luận: có những vị trí của micro ta thấy đồ thị dao động là một đƣờng hình sin có biên độ lớn, chứng tỏ nghe thấy là to, có những vị trí ta thấy đồ thị dao động là một đƣờng hình sin nhƣng biên độ bé (gần nhƣ một đƣờng thẳng) chứng tỏ âm nghe thấy là bé.

Hình 2.10. Đồ thị dao động âm ứng với vị trí mà tại đó dao động tổng hợp

âm đạt biên độ cực đại

Hình 2.11. Đồ thị dao động âm ứng với vị trí mà tại đó dao động tổng hợp

âm đạt biên độ cực tiểu

- Lưu ý

+ Di chuyển micro trên đƣờng thẳng nối hai loa ở cùng độ cao với hai loa để TN đạt kết quả chính xác.

+ Chỉ di chuyển micro trong vùng không gian trƣớc hai loa là chủ yếu.

2.2.3.7. Thí nghiệm 7. Khảo sát tính tuần hoàn theo không gian của quá trình truyền sóng âm, xác định tốc độ truyền âm trong không khí

a. Mục đích thí nghiệm

Khảo sát sự biến đổi pha trên phƣơng truyền sóng của sóng âm.

Đo bƣớc sóng âm, dựa vào đó xác định tốc độ truyền âm trong không khí.

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

- Cơ sở lí thuyết

+ Sóng âm là sóng dọc, do có tính tuần hoàn theo không gian nên theo phƣơng truyền sóng, các điểm trong không gian cách nhau một bƣớc sóng sẽ dao động cùng pha.

+ Nếu tại hai điểm này, ta đặt hai micro trực tiếp hai đầu ra vào 2 cổng của dao động kí thì ta sẽ thấy trên màn hình dao động kí hình ảnh hai sóng đồng pha.

Hình 2.12. Đồ thị dao động của hai sóng cùng pha trên dao động kí

+ Nếu hai micro đặt ở hai vị trí mà dao động tại đó không cùng pha thì tùy theo sự lệch pha dao động giữa hai điểm đấy thì hình ảnh thu đƣợc trên màn hình dao động kí là khác nhau.

+ Để đơn giản hóa, ta nối trực tiếp một kênh của dao động kí với đầu ra của máy phát âm tần, kênh còn lại nối với đầu ra của bộ cảm biến nhƣ hình 2.13.

Hình 2.13. Sơ đồ bố trí thí nghiệm kháo sát tính tuần hoàn về pha của quá trình truyền sóng âm

Khi đó, bằng việc xác định khoảng cách giữa hai điểm dao động đồng pha nhau liên tiếp và đồng pha với nguồn trên phƣơng truyền sóng, ta thu đƣợc bƣớc sóng âm:   L2 L1

Trong đó:

L1, L2 lần lƣợt là khoảng cách từ hai điểm đồng pha liên tiếp nhau tới nguồn âm, : bƣớc sóng âm.

- Bố trí và tiến hành thí nghiệm

Hình 2.14. Bố trí thí nghiệm khảo sát tính tuần hoàn pha của quá trình truyền sóng âm

+ Lắp đặt sơ đồ TN nhƣ hình vẽ, micro đƣợc luồn theo khe vào trong thân ống, đầu ra của micro đƣợc nối với cổng CH1, đầu ra của máy phát âm tần đƣợc nối với cổng CH2.

+ Chuyển MODE của dao động kí sang Dual.

+ Cho các thiết bị hoạt động, chọn một tần số nhất định, hình ảnh thu đƣợc trên màn hình dao động kí là đƣờng biểu diễn dao động âm tại nguồn và tại vị trí đặt micro.

+ Dịch chuyển từ từ micro dọc thân ống đến khi quan sát thấy hai tín hiệu là đồng pha, đọc và ghi lại giá trị l1 là khoảng cách từ vị trí đó đến nguồn nhờ thƣớc trên giá đỡ.

* Lặp lại bƣớc này 5 lần, ứng với vị trí cho tín hiệu đồng pha với nguồn lần đầu tiên.

* Tính giá trị l1 và sai số trung bình 1max 1min 1

2

l l

l 

  , rồi số liệu ghi vào bảng. + Dịch chuyển micro lại thu đƣợc một vị trí khác mà hai tín hiệu thu đồng pha, đọc và ghi lại giá trị l2 là khoảng cách từ vị trí đó đến nguồn.

* Lặp lại bƣớc này 5 lần, ứng với vị trí cho tín hiệu đồng pha với nguồn lần đầu tiên.

* Tính giá trị l2 và sai số trung bình 2max 2min 2

2

l l

l 

  , rồi số liệu ghi vào bảng. + Tính bƣớc sóng:   l2 l1 , sai số      l2 l1

+ Biết tần số âm, tính tốc độ truyền âm trong không khí v.f và sai số trung bình v v. f f             Hình 2.15. Đồ thị biểu diễn dao động âm ứng với vị trí của micro mà dao động tại đó đồng pha với nguồn.

Tiến hành TN với các giá trị tần số khác. c. Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu và xử lí số liệu:  Tần số f 3.02kHz0.01kHz Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha 1 2 3 4 5 l mm( ) l mm( ) 1 ( ) l mm 44 43 43 42 44 43.20 1 2 ( ) l mm 170 172 169 171 171 170.6 1.5

Tính bƣớc sóng âm và sai số:

2 1 170.6 43.2 127.4

l l mm

     

2max 2min 1max 1min

2 1 1.00 1.5. 2.50 2 2 l l l l l l mm              127.40 2.50mm         

Tính tốc độ truyền âm và sai số:

3 . 0.1274 3.02 10 384.75( / ) v  f     m s 3 2.50 10 384.75 8.80 / 127.4 3.02 10 f v v m s f                     384.75 8.80 / v v v m s      

Sai số tƣơng đối: v 2.3%

v      Tấn số f 4.63kHz0.01kHz Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha 1 2 3 4 5 l mm( ) l mm( ) 1( ) l mm 52 52 53 51 52 52 1.00 2( ) l mm 131 130 130 131 130 130.4 0.50 Tính bƣớc sóng âm và sai số: 2 1 130.40 52.2 78.40 l l mm     

2 max 2 min 1max 1min

2 1 1.00 0.50 1.50 2 2 l l l l l l mm              78.40 1.50mm         

Tính tốc độ truyền âm và sai số:

3

. 0.7840 3.02 10 362.99( / )

3 1.50 10 362.99 7.73 / 78.40 4.63 10 f v v m s f                     362.99 7.73 / v v v m s      

Sai số tƣơng đối: v 2.2%

v     Tần số f 5.15kHz0.01kHz Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha 1 2 3 4 5 l mm( ) l mm( ) 1( ) l mm 44 44 43 44 44 43.8 0.32 2( ) l mm 115 115 116 115 116 115.4 0.48 Tính bƣớc sóng âm và sai số: 2 1 115.40 43.8 71.60 l l mm     

2 max 2 min 1max 1min

2 1 0.50 0.50 1.00 2 2 l l l l l l mm              71.60 1.00mm         

Tính tốc độ truyền âm và sai số:

3 . 0.7160 5.15 10 368.74( / ) v   f     m s 3 1.00 10 368.74 5.87 / 71.60 5.15 10 f v v m s f                     368.74 5.87 / v v v m s      

Sai số tƣơng đối: v 1.69%

v     Bảng tổng hợp kết quả: Tần số (f) Bƣớc sóng (λ) Vận tốc âm (v) 3.02 0.01 f  kHz kHz      127.4 2.50 mm v v   v 384.75 8.80 m s/ 4.63 0.01 f  kHz kHz      78.4 1.50 mm v v   v 362.99 7.73 m s/ 5.15 0.01 f  kHz kHz      71.60 1.00 mm v v   v 368.74 5.87 m s/ Nhận xét: Kết quả thu đƣợc có sai số tƣơng đối nhỏ (cỡ 2-3%).

2.2.3.8. Thí nghiệm 8. Khảo sát hiện tượng sóng dừng trong ống không khí, xác định tốc độ truyền âm trong không khí

a. Mục đích thí nghiệm

- Đo bƣớc sóng của âm dựa vào hiện tƣợng sóng dừng trong cột không khí. - Biết tần số của âm, đo đƣợc bƣớc sóng, tính đƣợc tốc độ truyền âm trong không khí.

b. Bố trí và tiến hành thí nghiệm

- Cơ sở lí thuyết:

Dựa trên hiện tƣợng sóng dừng trong ống không khí.

Hình 2.16. Sơ đồ bố trí thí nghiệm kháo sát hiện tượng sóng dừng trong ống không khí

Sóng dừng là trƣờng hợp đặc biệt của giao thoa sóng, là sóng tạo thành do sự chồng chập của hai sóng chạy hình sin kết hợp truyền cùng theo một phƣơng nhƣng ngƣợc chiều nhau. Khi xảy ra hiện tƣợng sóng dừng, ta có thể tìm ra những vị trí tƣơng ứng với bụng sóng hoặc nút sóng, từ đó xác định đƣợc bƣớc sóng âm, biết đƣợc tần số âm, ta có thể tính toán đƣợc vận tốc truyền âm