GARSO GREIČIO ORE TEMPERATŪRINĖS PRIKLAUSOMYBĖS TYRIMAS

GARSO GREIČIO ORE TEMPERATŪRINĖS PRIKLAUSOMYBĖS TYRIMAS

Darbas su sistema „Personal Instrumentation Box (PBI)“.

Laboratorinis darbas Nr 5

Šiame darbe panaudota eksperimento kompiuterizavimo sistema kartais dar vadinama „Personal Instrumentation Box (PBI – šiame darbe SAB)“. Sistema paprastai teturi vienintelź s¹saj¹, prie kurios per multiplekserį jungiami visi signalų jutikliai. Pastarieji susideda, kaip taisyklė, iš pirminio jutiklio, kuris neelektrinį dydį keičia elektriniu, grandinių, normalizuojančių signal¹ (sustiprinančių, suderinančių impedansus ir t.t.), ir keitiklių „analogas – kodas“ (ADC). Pastarųjų išėjimai valdymo programoje numatyta tvarka multiplekserio prijungiami prie asmeninio kompiuterio.

Tokia sistema pigi – reikalinga viena s¹saja o jutikliai ir ADC įprastiniams signalams taip pat kainuoja nedaug. Kitas privalumas, ypač jaučiamas gretinant su „plug in“ – nesudėtinga praplėsti funkcijas, matuojamų fizikinių dydžių diapazon¹ ir nomenklatūr¹, keičiant jutiklius.

Prie trūkumų reikėtų priskirti maž¹ sistemos greitaveik¹ – kiekvienas matuojamas dydis turi „palaukti eilėje“ prieš įvedant į personalinį kompiuterį (PK).

Pagrindinė aprašytų sistemų pritaikymo sritis – mokomoji aparatūra.

Teorinė dalis.

Oras pasižymi tik tūriniu tamprumu, todėl juo sklindančios ultragarso bangos yra išilginės. Jas sudaro periodiškai besikaitaliojantys oro sutankėjimai ir praretėjimai, kurie nuolat tolsta nuo bangų šaltinio. Sutankėjimo vietose temperatūra pakyla, praretėjimo – sumažėja. Dėl oro mažo šilumos laidumo tarp šių sutankėjimų ir praretėjimų šilumos mainai neįvyksta, t.y. jie yra adiabatiški. Adiabatinį proces¹ aprašo Puasono lygtis , o ultragarso sklidimo ore greitį apibūdina adiabatinis oro tūrio tamprumo modulis . Todėl ultragarso greitis ore

; (1)

čia ρ – oro tankis, p – jo slėgis, M 10^-3 kg/mol – oro vieno molio masė, R = 8,31 J/(K mol) – universalioji dujų konstanta. Išmatavź ultragarso greitį c ir oro temperatūr¹ T K, galime rasti dydį g. Šis dydis – tai molinių šiluminių talpų santykis:

, (2)

čia C_V - izochorinė (pastoviojo tūrio) molinė šiluminė talpa, C_p - izobarinė (pastoviojo slėgio) molinė šiluminė talpa.

Aparatūra ir darbo eiga

Darbe naudosime impulsinį ultragarso greičio ore nustatymo metod¹, kurio aparatūros struktūrinė schema pavaizduota 1 paveiksle. PK valdomas SAB blokas 1 skleidžia retus įtampos impulsus U₁(t) (1 pav). Jų veikiamas garsiakalbis 2 vamzdyje 3 skleidžia trumpus tampriųjų bangų impulsus 4. Šie patekź į mikrofon¹ 5 vėl sukuria elektrinį impuls¹. Šie impulsai patenka į PK, kuris ir įvertina impulso sklidimo trukmź t, per kuri¹ jis nusklido keli¹ s nuo garsiakalbio iki mikrofono. Iš čia išplaukia, kad garso greitis ore:

. (3)

Tiesiogiai išmatuoti atstum¹ s nepatogu. Todėl ultragarso nueit¹ keli¹ matuosime mikrofono padėties pokyčių metodu. Kai mikrofonas vamzdyje įstumtas giliai, liniuotėje atskaitź ir pažymėjź jo laikiklio žymeklio kraštinź padėtį x_1, išmatuojame bangų sklidimo laik¹ t₁. Mikrofon¹ nuo garsiakalbio nutolinź tiek, kad vamzdyje liktų tik keletas centimetrų jo laikiklio ir pažymėjź jo stovo padėtį x₂, nustatome bangų sklidimo laik¹ t₂.

Akivaizdu, kad kelių skirtumas .  (4)

Nuotolį Ds garso bangų impulsas nusklis per laik¹ . Tuomet bangų sklidimo greitis

. (5)

Darbo aparatūros eskizinis vaizdas pateiktas 2 paveiksle. Be jau 1 paveiksle aprašytų SAB bloko 1, garsiakalbio 2, vamzdžio 3 bei mikrofono 5 j¹ sudaro temperatūr¹ matuojantis termoelementas 6, oro kaitinimo spiralė 7 ir mikrofono padėties atskaitymo liniuotė 8.

1. Patikriname, ar garsiakalbis gerai prigludźs prie vamzdžio (jei reikia, pataisome). Patikriname, ar mikrofono režimų perjungiklis (detaliau pavaizduotas 2 paveiksle išnašoje) yra perjungtas į padėtį „P“. Mikrofono jautrio keitimo rankenėlė turi būti prieš laikrodžio rodyklź pasukta iki galo (sukti atsargiai!). Mikrofono stov¹ pastumiame tiek, kad beveik visas mikrofono laikiklio vamzdelis būtų skaidraus vamzdžio viduje. Liniuotėje ties stovu atskaitome ir užsirašome ši¹ padėtį.

2. Tinklo jungikliais įjungiame PK ir monitorių. SAB bloko maitinimo šakutź įkišame į jos lizd¹ bloke. Įjungiame mikrofon¹ 5 spustelėdami jo kvadratinį raudon¹ klaviš¹. Įjungtas mikrofonas veikia apie 0,5 val., po to automatiškai išsijungia. Jei mikrofonas išsijungia nebaigus eksperimento, jį vėl įjungiame. Įjungto PK ekrane turi būti standartinis „Windows“ langas su instaliuotų programų piktogramomis.

3. Pele bakstelėjź du kartus piktogram¹ „Ultragarsas 1“ aktyviname ultragarso greičio matavimo program¹. Atsiradusiame lange „Settings“, pasirinkź „Display“, įsitikiname, kad x-ašiai priskirtas matavimo numeris n, o y-ašiai – bazė s, temperatūra ºC J_B11 ir sklidimo laikas Dt_A1

4. Mikrofono padėčiai x₁ matuojame ultragarso sklidimo laik¹ Dt_A1. Tam arba PK paspaudžiame klaviatūros klaviš¹ F9, arba pele pažymime laikrodžio piktogram¹. Matavimo rezultatai matomi ekrane esančioje lentelėje. Jos grafoje n nurodytas matavimo eilės numeris, grafoje s – kažkoks (bet ne tikrasis) atstumas tarp garsiakalbio ir mikrofono, J_B11 vamzdžio oro temperatūra ºC, Dt_A1 – ultragarso impulso sklidimo nuo garsiakalbio iki mikrofono trukmė sekundėmis. Šiuos duomenis perrašome į 1 lentelź. Kitoje ekrano pusėje matavimų rezultatai atvaizduojami grafiko taškais. Matavim¹ pakartojame penkis kartus. Išmatuotas Dt_A1 ir J_B11 vertes, bei jų aritmetinius vidurkius Dt_A1ñ ir J_B11ñ įrašome į lentelź.

5. Mikrofon¹ nuo garsiakalbio atitoliname tiek, kad jis permatomame vamzdyje liktų apie 1 5 cm, ir daugiau nejudiname. Atskaitome ties jo stovo rodykle ir užrašome nauj¹ s¹lyginź jo koordinatź x₂. Penkis kartus kartojame 4 – ame punkte aprašytus matavimus ir skaičiavimus. Jų rezultatus, t.y. Dt¢_A1 J¢_B11 ir Dt¢_A1ñ J¢_B11ñ užrašome lentelėje.

6. Apskaičiavź ultragarso nueito kelio bei sklidimo laiko pokyčius ir , pagal (7) formulź apskaičiuojame ultragarso greitį ore.

7. Ultragarso greitį ore dar apskaičiuojame pagal (1) ir (2) formules kai T=( J¢_B11ñ )K, atvejams i = 3, i = 5 ir i = 7. Sugretinź šių skaičiavimų ir eksperimento rezultatus, darome išvad¹ apie labiausiai tikimas dydžių i ir g reikšmes kambario temperatūros orui.

8. Pagal f-lź (3), panaudojź eksperimentinź garso greičio reikšmź, surandame dabar esantį s.

9. Suprogramuojame sistem¹ greičio temperatūrinei priklausomybei nustatyti. Pasirinkź „Settings“, > „Parameters“ ir „Path“, įvedame gaut¹j¹ s reikšmź, o pasirinkź „Display“, x ašiai priskiriame temperatūr¹ J_B11, y-ašiai – sklidimo laik¹ Dt_A1 ir garso greitį c. Paspaudź viršuje vaizduoklio esantį atitinkam¹ „radijomygtuk¹“, įjungiame temperatūros J_B11 displėjų.

10. Oro kaitinimo šaltinį sujungiame laidais su spirale 7 bei jį įjungiame, parinkdami 6 A srovź.

11. Kas 2 laipsnius paleidžiame matavim¹ klavišu F9, arba pele pažymint laikrodžio piktogram¹. Pakėlź temperatūr¹ 20 – 25 laipsniais išjungiame kaitinim¹ ir baigiame matavimus.

12. Nukopijuojame ekrano vaizd¹, kurį vėliau pateiksime ataskaitoje.

13. Sugretiname gaut¹ temperatūrinź priklausomybź su teorine, aprašyta (1) formule. Paruošiame ataskait¹.