Трубка Кундта — экспериментальный акустический прибор, изобретенный в 1866 году немецким физиком Августом Кундтом [1] [2] для измерения скорости звука в газе или твердом стержне. Этот эксперимент до сих пор преподается из-за его способности демонстрировать продольные волны в газе (которые часто бывает трудно визуализировать). Сегодня он используется только для демонстрации стоячих волн и акустических сил.
Тюбик представляет собой прозрачную горизонтальную трубку, содержащую небольшое количество мелкодисперсного порошка, такого как пробковая пыль, тальк или ликоподий . [3] На одном конце трубки находится источник звука одной частоты ( чистый тон ). Кундт использовал резонатор с металлическим стержнем , который он заставлял вибрировать или «звенеть», потирая его, но в современных демонстрациях обычно используется громкоговоритель , подключенный к генератору сигналов , производящему синусоидальную волну . Другой конец трубки заблокирован подвижным поршнем, с помощью которого можно регулировать длину трубки.
Звукогенератор включается и поршень регулируется до тех пор, пока звук из трубки внезапно не станет намного громче. Это указывает на то, что трубка находится в резонансе . Это означает, что длина обратного пути звуковых волн от одного конца трубки к другому и обратно кратна длине волны λ звуковых волн . Следовательно, длина трубки кратна половине длины волны. В этот момент звуковые волны в трубке имеют вид стоячих волн , а амплитуда колебаний воздуха равна нулю на равноотстоящих вдоль трубки промежутках, называемых узлами . Порошок подхватывается движущимся воздухом и оседает небольшими кучками или линиями в этих узлах, потому что воздух там неподвижен и тих. Расстояние между сваями составляет половину длины волны звука λ /2. Измерив расстояние между сваями, можно найти длину волны λ звука в воздухе. Если известна частота звука f , то умножение ее на длину волны дает скорость звука c в воздухе:
Детальное движение порошка на самом деле происходит из-за эффекта, называемого акустическим потоком , вызванного взаимодействием звуковой волны с пограничным слоем воздуха на поверхности трубки. [4]
Наполнив трубку другими газами, помимо воздуха, и частично откачав ее с помощью вакуумного насоса, Кундт также смог рассчитать скорость звука в разных газах при разных давлениях. Чтобы создать вибрации, Кундт остановил другой конец трубки свободно прилегающей пробкой, прикрепленной к концу металлического стержня, выступающего в трубку и зажатого в ее центре. Когда его потерли по длине куском кожи, покрытым канифолью , стержень начал вибрировать в продольном направлении на своей основной частоте , издавая высокую ноту. Когда стала известна скорость звука в воздухе, это позволило Кундту рассчитать скорость звука в металле стержня резонатора. Длина стержня L равнялась половине длины волны звука в металле, а расстояние между кучками порошка d — половине длины волны звука в воздухе. Таким образом, соотношение этих двух материалов было равно отношению скоростей звука в двух материалах:
Менее точный метод определения длины волны с помощью трубки, использовавшийся до Кундта, состоит в простом измерении длины трубки при резонансе, которая примерно равна половине длины волны. Проблема этого метода заключается в том, что когда воздушная трубка приводится в движение источником звука, ее длина при резонансе не совсем равна кратному полуволне. [3] Поскольку воздух на исходном конце трубки, рядом с диафрагмой динамика, вибрирует, он не находится точно в узле (точке нулевой амплитуды) стоячей волны. На самом деле узел находится на некотором расстоянии от конца трубки. Метод Кундта позволил с большой точностью определить фактическое расположение узлов.
Резонанс трубки Кундта.
