ΠΟΜΠΟΣ ΕΚΤΗΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΟΜΠΟΣ ΕΚΤΗΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ"

Αλέξιο Ράγκος
9 χρόνια πριν
Προβολές:

2 Σαν ήχος χαρακτηρίζεται οποιοδήποτε μηχανικό ελαστικό κύμα ή γενικότερα μία μηχανική διαταραχή που διαδίδεται σε ένα υλικό μέσο και είναι δυνατό να ανιχνευθεί από τον άνθρωπο μέσω της αίσθησης της ακοής. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των κυμάτων είναι ότι μεταφέρουν ενέργεια από την πηγή σε όλα τα μόρια του ελαστικού μέσου, χωρίς όμως να μεταφέρουν μάζα. Τα μόρια δηλαδή του μέσου δεν εκτελούν μεταφορική κίνηση, αλλά ταλαντώνονται γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους. Οι ταλαντώσεις (γενικότερα η διαταραχή του μέσου) προκαλείται από την ταλάντωση μιας πηγής που ονομάζεται ΠΟΜΠΟΣ. Αν τώρα σε ένα σημείο του χώρου όπου διαδίδεται το κύμα τοποθετηθεί ένας ΕΚΤΗΣ ή ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ (όπως το αυτί μας) τότε η διαδιδόμενη διαταραχή μπορεί να γίνει αντιληπτή.

Τα μόρια δηλαδή του μέσου δεν εκτελούν μεταφορική κίνηση, αλλά ταλαντώνονται γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους.

3 Ο ήχος διαδίδεται μέσα στην ύλη και στις τρεις φάσεις της, δηλ. τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια. Η διάδοση αυτής της διαταραχής γίνεται με πεπερασμένη ταχύτητα που είναι χαρακτηριστική ιδιότητα του μέσου. Τα ηχητικά κύματα είναι πάντοτε διαμήκη στα αέρια και στα υγρά ενώ στα στερεά μπορεί να είναι διαμήκη και εγκάρσια. Τα ηχητικά κύματα στον αέρα όταν προέρχονται από σημειακή πηγή είναι σφαιρικά διαμήκη κύματα. Βασικά χαρακτηριστικά του ήχου στην περίπτωση των απλών αρμονικών ήχων είναι η συχνότητα, η ταχύτητα διάδοσης, το μήκος κύματος και η ένταση. Ο άνθρωπος μπορεί να αντιληφθεί ήχους στο λεγόμενο ακουστό φάσμα συχνοτήτων που περιλαμβάνει συχνότητες από 20 Hz έως 20 khz. Οι ήχοι χαμηλότερης συχνότητας από το ακουστό φάσμα ονομάζονται υπόηχοι ενώ πάνω από τα 20 khz υπέρηχοι.

Τα ηχητικά κύματα είναι πάντοτε διαμήκη στα αέρια και στα υγρά ενώ στα στερεά μπορεί να είναι διαμήκη και εγκάρσια.

4 Στην άσκηση αυτή θα μελετήσουμε τα βασικά χαρακτηριστικά των ηχητικών κυμάτων συχνότητας ~40kHz,δηλαδή στην περιοχή των υπερήχων. Η επιλογή των υπερήχων είναι κατάλληλη στο περιβάλλον του μαθήματος, διότι επιτρέπει: α). την παράλληλη εργασία πολλών ομάδων χωρίς να ενοχλεί η μία την άλλη και β). την πειραματική εργασία χωρίς ηχητικές παρεμβολές στο ακουστό φάσμα συχνοτήτων (ομιλίες, θόρυβοι) Για τις ανάγκες της άσκησης θα θεωρήσουμε τις πηγές που έχουν μικρές σχετικά διαστάσεις σαν σημειακές y(t)=y o ημ(ωt+φ ο ) 2 f y(x, t)= y o ημ(kx-ωt+φ ο ), k=2π/λ D m

την παράλληλη εργασία πολλών ομάδων χωρίς να ενοχλεί η μία την άλλη και β).

5 Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή και την ανίχνευση υπερήχων με τη βοήθεια του πιεζοηλεκτρισμού. Πιεζοηλεκτρισμός είναι η ιδιότητα ορισμένων υλικών να παράγουν ηλεκτρική τάση όταν υφίστανται συμπίεση. Για την παραγωγή των υπερήχων στην άσκηση αυτή χρησιμοποιείται ένας ΠΟΜΠΟΣ (Π) ο οποίος περιλαμβάνει μια γεννήτρια συχνοτήτων η οποία παράγει εναλλασσόμενη τάση με ρυθμιζόμενη συχνότητα, η οποία οδηγείται σε ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο (ΠΣ). Για την ανίχνευση των υπερήχων χρησιμοποιείται είτε ένας Ανιχνευτής (Α) είτε ένας έκτης ( ) υπερήχων, συνδεδεμένος με ένα παλμογράφο. Ο Ανιχνευτής περιέχει μόνο το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, ενώ ο έκτης συμπεριλαμβάνει και ενισχυτή με μεταβλητή ενίσχυση.

Για την παραγωγή των υπερήχων στην άσκηση αυτή χρησιμοποιείται ένας ΠΟΜΠΟΣ (Π) ο οποίος περιλαμβάνει μια γεννήτρια συχνοτήτων η οποία παράγει εναλλασσόμενη τάση με ρυθμιζόμενη

6 Το πιο διαδεδομένο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο (ΠΣ) για την παραγωγή (μεγάφωνο) και την ανίχνευση (μικρόφωνο) ήχων και υπερήχων έχει τη μορφή ενός φυλλόμορφου δίσκου με αγώγιμες πλευρές, στις οποίες είναι κολλημένοι δύο ακροδέκτες. Αν στους ακροδέκτες αυτούς εφαρμοστεί εναλλασσόμενη τάση, τότε το ΠΣ παραμορφώνεται με περιοδικό τρόπο και λειτουργεί σαν μεγάφωνο. Για την παραγωγή υπερήχων χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικά στοιχεία μικρού μεγέθους και μάζας, γιαναμπορούν να ταλαντώνονται σε υψηλές συχνότητες. Αν τώρα στο ΠΣ προσπέσει ένα ηχητικό ή υπερηχητικό κύμα, τότε εξαναγκάζεται σε ταλάντωση ή οποία προκαλεί μηχανική παραμόρφωση και άρα εμφάνιση εναλλασσόμενης ηλεκτρικής τάσης στους ακροδέκτες, συχνότητας ίσης με αυτή του προσπίπτοντος ήχου. Το πλάτος της τάσης είναι συνήθως μικρό (της τάξεως λίγων mv), και γι αυτό συνήθως χρησιμοποιείται και ένας ενισχυτής τάσης.

Για την παραγωγή υπερήχων χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικά στοιχεία μικρού μεγέθους και μάζας, γιαναμπορούν να ταλαντώνονται σε υψηλές συχνότητες.

7 Οπομπός, ο δέκτης και ο ανιχνευτής. Το τροφοδοτικό συνδέεται με τον πομπό, ο οποίος στη συνέχεια τροφοδοτεί τον ενισχυτή που βρίσκεται μέσα στον δέκτη. Το σήμα που παράγει ο δέκτης οδηγείται σε ακροδέκτη εξόδου του πομπού.

9 1. Αναγνώριση Οργάνων Κύματα - Μέτρηση πλάτους - συχνότητας ιάταξη παρατήρησης υπερήχων

10 1. Αναγνώριση Οργάνων Κύματα - Μέτρηση πλάτους - συχνότητας γ). α). β). Μετρήσεις στον Πομπό (Παλμογράφος στον Πομπό) Τ 1 =... s f 1 =... Hz V pp1 =... V y 1 =... V Μετρήσεις στον Ανιχνευτή (Παλμογράφος στον Ανιχνευτή) Τ 2 =... s f 2 =... Hz V pp2 =... V y 2 =... V Ρύθμιση συχνότητας πομπού Μέγιστο Πλάτος Τ 3 =... s f 3 =... Hz V pp3 =... V y 3 =... V Μικρομετακίνηση Ανιχνευτή 5 mm Μέγιστο Πλάτος Τ 4 =... s f 4 =... Hz V pp4 =... V y 4 =... V Μετρήσεις στον Πομπό (Παλμογράφος στον Πομπό) Τ 5 =... S f 5 =... Hz V pp5 =... V y 5 =... V Εργασία: Σύγκριση Τ 5 -Τ 1, y 5 -y 1, Υπολογισμός ταχύτητας υπερήχων: U=λ/Τ, λ=8.5 mm, Τ=Τ 4, Τ 5.

.. s f 3 =... Hz V pp3 =... V y 3 =... V Μικρομετακίνηση Ανιχνευτή 5 mm Μέγιστο Πλάτος Τ 4 =... s f 4 =... Hz V pp4 =... V y 4 =.

11 2. Παρατήρηση και Καταγραφή της καμπύλης συντονισμού του Ανιχνευτή Ανιχνευτής:Ηλεκτρικός Ταλαντωτής RLC Αντίσταση R=100 Ω Γεννήτρια Συχνοτήτων T 2 π Παλμογράφος στα άκρα της αντίστασης R LC Γράφημα Ι(f) Παράγοντας Ποιότητας Q f 2 f0 f Ι ο (f 2 )=Ι ο (f 1 )= Ι ο (f 0 )/ 2 Ερωτήσεις φυλλαδίου 1 Α/Α f (khz) V R1 (V) I R1 (ma)

Παράγοντας Ποιότητας Q f 2 f0 f Ι ο (f 2 )=Ι ο (f 1 )= Ι ο (f 0 )/ 2 Ερωτήσεις φυλλαδίου 1 Α/Α f (khz) V R1

12 3. Μέτρηση Μήκους κύματος α). Οδεύοντα κύματα με ανίχνευση φάσης Θέσεις x 1, x 2 : y(x 1,t)=y o ημ(kx 1 -ωt+φ ο ), y(x 2,t)=y o ημ(kx 2 -ωt+φ ο ) Φ=Φ 2 -Φ 1 = (kx 2 -ωt+φ ο )-(kx 1 -ωt+φ ο )= k(x 2 -x 1 )= k Δx Φ = k Δx λ=2π Δx/Φ Όταν Φ= 2π λ = Δx

13 3. Μέτρηση Μήκους κύματος α). Οδεύοντα κύματα με ανίχνευση φάσης Όργανα: Πομπός, Ανιχνευτής, Παλμογράφος Διπλή Σύνδεση (X:Πομπός, Υ:Ανιχνευτής) x Π =. (cm) Φ=Φ 2 -Φ 1 = (kx 2 -ωt+φ ο )-(kx 1 -ωt+φ ο )= k(x 2 -x 1 )= k Δx Φ = k Δx λ=2π Δx/Φ Όταν Φ= 2π λ = Δx Α/Α N x A (cm) s Π-Α (cm) λ (mm) Ελάχιστα Τετράγωνα: s Π-Α =αν+β

14 3. Μέτρηση Μήκους κύματος β). Στάσιμα κύματα με ανίχνευση πλάτους y(x, t)=y o ημ(kx+ωt+φ ο ), y(x,t)=y o ημ(-kx+ωt+φ ο ) y=y(x 1,t)+y(x 2,t)=2y o συν(kx). ημ(ωt), ημ(α+β)=2συν[(α-β)/2] ημ[(α+β)/2] 2y o συν(kx)=2y o kx=0, π, 2π,, κπ x=0, λ/2, 2λ/2, 3λ/2 2y o συν(kx)=0 kx= π/2, 3π/2,, (2κ+1)π/2 x=0, λ/4, 3λ/4,, (2κ+1)λ/2 Φ = k Δx λ σ =2π Δx/Φ Όταν Φ= 2π λ σ = Δx Προσοχή: λ σ =λ/2

15 β). Στάσιμα κύματα με ανίχνευση πλάτους Όργανα: Πομπός, Ανιχνευτής, Παλμογράφος (Υ:Ανιχνευτής) Μέγιστο Πλάτος x=0, λ/2, 2λ/2, 3λ/2 Μηδενικό Πλάτος x=0, λ/4, 3λ/4,, (2κ+1)λ/2 Φ = k Δx λ σ =2π Δx/Φ Όταν Φ= 2π λ σ = Δx Προσοχή: λ σ =λ/2 x Π =. (cm) 3. Μέτρηση Μήκους κύματος Α/Α N x A (cm) s Π-Α (cm) λ (mm) Ελάχιστα Τετράγωνα: s Π-Α =αν+β

=2π Δx/Φ Όταν Φ= 2π λ σ = Δx Προσοχή: λ σ =λ/2 x Π =. (cm) 3.

16 4. Κυματοδέματα μη συνεχής εκπομπή ήχου σύντομα ηχητικά σήματα κυματοδέματα κυματόδεμα=αρμονικόκύματουοποίουτοπλάτοςείναιμηδένεκτός από ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα

17 4. Κυματοδέματα Με τον πομπό στη θέση Κ παράγεται ένα κυματόδεμα κάθε 20 ms δηλαδή με συχνότητα 50 Hz ενώ η συχνότητα του υπέρηχου που αποτελεί το κυματόδεμα είναι 40 khz Αν τοποθετήσουμε ένα ανιχνευτή συνδεδεμένο με ένα παλμογράφο, απέναντι από ένα πομπό που εκπέμπει κυματοδέματα, θα παρατηρήσουμε την διπλανή εικόνα

κυματόδεμα είναι 40 khz Αν τοποθετήσουμε ένα ανιχνευτή συνδεδεμένο με ένα

18 4. Κυματοδέματα Το παραπάνω σήμα αποτελεί μίξη του σήματος που παράγει ο πομπός μαζί με αυτό που ανιχνεύει ο δέκτης. Τα δύο σήματα εισάγονται μαζί στον παλμογράφο, ο οποίος απεικονίζει πρώτα το σήμα της γεννήτριας του πομπού, ενώ η δεύτερη κορυφή είναι το κυματόδεμα που λαμβάνει ο δέκτης μετά την ανάκλαση στον στόχο. Άλλες κορυφές που τυχόν εμφανίζονται αντιστοιχούν σε δευτερεύουσες ανακλάσεις του αρχικού κυματοδέματος.

Τα δύο σήματα εισάγονται μαζί στον παλμογράφο, ο οποίος απεικονίζει πρώτα το σήμα της γεννήτριας του

19 αρχή λειτουργίας του SONAR Θεωρούμε ότι η γωνία ΠΣΔ είναι πολύ μικρή και άρα μπορούμε να θεωρήσουμε ότι (ΠΣ)=(ΔΣ)=2(ΟΣ) και αν γνωρίζουμε την ταχύτητα του ήχου στο μέσο (~340 m/s στον αέρα και ~1200 m/s στο νερό) μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση Πομπού-Στόχου από τη σχέση: 2(ΟΣ)=U t 1 ήαπό τη σχέση 4(ΟΣ)=U t 2. s=u. t/2n N=1, 2 t 1 t 2 4. Κυματοδέματα 1 o κυματόδεμα: 1 ανάκλαση = 2 διαδρομές 2 o κυματόδεμα: 2 ανάκλασεις = 4 διαδρομές Ελάχιστα Τετράγωνα: s OΣ =αt 1 +β Ο Σ Α/Α t 1 (sec) s OΣ (cm) t 2 (sec)

2(ΟΣ)=U t 1 ήαπό τη σχέση 4(ΟΣ)=U t 2. s=u. t/2n N=1, 2 t 1 t 2 4.

Σχετικά έγγραφα

Κεφάλαιο 5 ο : Μηχανικά Κύματα

Κεφάλαιο 5 ο : Μηχανικά Κύματα Φυσική Γ Γυμνασίου Βασίλης Γαργανουράκης http://users.sch.gr/vgargan g g Εισαγωγή Η ενέργεια μεταφέρεται με μεταφορά μάζας Αν ρίξεις μια μπάλα προς ένα αμαξάκι, το αμαξάκι