Bài 10: Thực hành đo tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm

Để đo được tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm ta cần có các dụng cụ đo chuyên dụng. Ví dụ như tần số của âm thoa, hay các loại nhạc cụ thì cần có các bộ dụng cụ trong phòng thí nghiệm, dao động kí điện tử. Các loại âm thanh có tần số không xác định được phát ra từ các động cơ, máy khoan thì cần có các dụng cụ đo chuyên dụng hơn và cần sử dụng các công thức về năng lượng âm, mức cường độ âm để xác định.

Mục đích: Đo được tần số của sóng âm.

Dụng cụ:

– Nguồn âm (1):

+ Loa điện động (Hình 10.1a) được kết nối với máy phát tần số.

+ Âm thoa, búa và âm thoa gắn trên hộp cộng hưởng (Hình 10.1b).

– Micro (2) để chuyển dao động âm thành dao động điện.

– Dao động kí điện tử (3).

Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.2.

Bước 2: Sử dụng nguồn âm là loa điện động, đặt loa gắn micro (chú ý đảm bảo không có nguồn âm khác ở gần).

Bước 3: Bật micro và dao động kí ở chế độ làm việc.

Bước 4: Bật máy phát tần số.

Bước 5: Điều chỉnh dao động kí để ghi nhận được tín hiệu. Lặp lại bước 2 đến bước 5 khi sử dụng nguồn âm là âm thoa.

Lưu ý: Ứng với mỗi loại nguồn âm, thực hiện thí nghiệm ít nhất 3 lần.

Báo cáo kết quả thí nghiệm:

- Dựa vào đồ thị dao động trên màn hình dao động kí, ghi kết quả đo vào bảng số liệu như Bảng 10.1.

- Từ số liệu đo được, xác định tần số sóng âm.

- Kết quả đo tần số sóng âm phát ra từ
+ Âm thoa: \(f=\bar{f} \pm \Delta f=\ldots\).
+ Loa điện động: \(f=\bar{f} \pm \Delta f=\ldots .\).

- Cách tính sai số tuyệt đối:
+ Tính giá trị trung bình: \(\bar{f}=\frac{f_1+f_2+f_3}{3}\)
+ Tính sai số tuyệt đối trung bình: \(\overline{\Delta f}=\frac{\left|f-f_1\right|+\left|f-f_2\right|+\left|f-f_3\right|}{3}\)
+ Tính sai số tuyệt đối: \(\Delta f=\overline{\Delta f}+\Delta f_{d c} \Delta f_{d c}\) là sai số dụng cụ
- Nguyên nhân gây ra sai số:
+ Thao tác trong quá trình thí nghiệm chưa chính xác.
+ Môi trường thí nghiệm có nhiều tạp âm.
+ Thiết bị thí nghiệm có độ chính xác không cao.
- Cách khắc phục:
+ Kiểm tra các thiết bị trước khi làm thí nghiệm.
+ Đảm bảo trong môi trường thí nghiệm yên tĩnh, tránh xa các nguồn âm khác.
+ Thao tác thí nghiệm chính xác.
Ví dụ, áp dụng cách tính sai số tuyệt đối cho bảng số liệu sau:

Tần số đo được gần đúng với tần số ghi trên âm thoa.

- Học sinh tải phần mềm trên và tự tiến hành thí nghiệm.

- Phân tích ưu, nhược điểm của hai phương án này.

Mục đích: Đo được tốc độ truyền âm trong không khí.
Dụng cụ:
- Ống cộng hưởng (1) trong suốt bằng nhựa, dài \(70 \mathrm{~cm}\), đường kính \(40 \mathrm{~mm}\), có gắn thước thẳng.
- Pit-tông bằng kim loại bọc nhựa (2), đường kính 38 mm, có vạch chuẩn xác định vị trí.
- Dây treo pit-tông (3) dài 1,5 m, một đầu có móc treo, vắt qua ròng rọc có đường kính 40 mm.
- Hệ thống giá đỡ gồm trụ thép đặc (4), dài \(75 \mathrm{~cm}\), đường kính \(10 \mathrm{~mm}\) và đế ba chân bằng thép.
- Loa điện động (4 \(\Omega\) - 3 W) (5), lắp trong hộp bảo vệ có cán bằng trụ thép và lỗ cắm điện.
- Máy phát tần số (0,1 Hz - \(1 \mathrm{kHz})\) (6), tín hiệu hình sin, điện áp ra cực đại \(14 \mathrm{~V}\).
- Bộ hai dây nối mạch điện (7), dài \(50 \mathrm{~cm}\), hai đầu có phích cắm.
Tiến hành thí nghiệm:
Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.3. Đặt loa điện động gần sát đầu hở của ống cộng hưởng.

Bước 2: Dùng hai dây dẫn điện cấp điện cho loa từ máy phát tần số.

Bước 3: Điều chỉnh thang đo trên máy phát sang vị trí 100 Hz – 1 kHz. Điều chỉnh tần số sóng âm cho phù hợp.

Bước 4: Điều chỉnh biên độ để nghe được âm phát ra từ loa vừa đủ to.
Bước 5: Kéo dần pit-tông lên và lắng nghe âm phát ra. Xác định vị trí thứ nhất của pit-tông khi âm nghe được to nhất và xác định chiều dài cột khí \(l_1\) tương ứng. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

Bước 6: Tiếp tục kéo pit-tông lên và xác định vị trí thứ hai của pit-tông khi âm nghe được lại to nhất và xác định chiều dài cột khí \(l_2\) tương ứng. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.
Bước 7: Cho pit-tông về lại sát miệng ống, lặp lại các bước 5 và 6 thêm 4 lần nữa. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.
Báo cáo kết quả thí nghiệm:
Do chiều dài cột khí \(\mathrm{l}_1 ; \mathrm{l}_2\) khi có âm to nhất lần thứ nhất và lần thứ hai. Ghi vào bảng số liệu như Bảng 10.2.

 Xử lí số liệu để tính toán tốc độ truyền sóng âm trong không khí kèm theo sai số của phép đo.

Xử lí số liệu để ghi nhận tốc độ truyền âm:
- Tính giá trị trung bình: \(\bar{\lambda}=2\left(\overline{\mathrm{l}}_2-\overline{\mathrm{l}}_1\right)\) và suy ra: \(\bar{v}=\lambda \bar{f}\).
- Tính sai số: \(\Delta \lambda=2\left(\Delta \mathrm{l}_2-\Delta \mathrm{l}_1\right)\).
- Tính sai số \(\Delta v\) từ hệ thức: \(\frac{\Delta v}{\bar{v}}=\frac{\Delta \lambda}{\lambda}+\frac{\Delta f}{\bar{f}}\) và trình bày kết quả \(v=\bar{v} \pm \Delta v\)

Một số nguyên nhân gây ra sai số trong phương án thí nghiệm:

- Thao tác làm thí nghiệm chưa chính xác.

- Phòng thí nghiệm có lẫn các tạp âm khác (bộ thí nghiệm đặt gần một nguồn âm khác).

- Ghi kết quả chưa chính xác với kết quả thí nghiệm.

Đề xuất cách khắc phục:

- Thao tác thí nghiệm phải chính xác.

- Hạn chế đặt bộ dụng cụ thí nghiệm gần các nguồn âm khác.

- Thực hiện thao tác ghi kết quả đúng, phù hợp với kết quả thí nghiệm.

Do ống trong thí nghiệm coi như có một đầu cố định, một đầu tự do.
Khi kéo pit-tong nghe được âm to nhất lần thứ nhất, chiều dài ống là: \(l_1=\left(2 k_1+1\right) \frac{\lambda}{4}\)
Khi kéo pit-tong tiếp nghe được âm to nhất lần thứ hai, chiều dài ống là:
\(l_2=\left(2 k_2+1\right) \frac{\lambda}{4}\)
Do hai vị trí nghe được âm to nhất này gần nhau nhất nên \(k_2-k_1=1\)
Khi đó: \(\mathrm{l}_2-\mathrm{l}_1=\frac{\lambda}{4}\left[\left(2 k_2+1\right)-\left(2 k_1+1\right)\right]=\frac{\lambda}{2}\)

Dụng cụ thí nghiệm:

- Sử dụng hai viên sỏi

- Đồng hồ bấm giây

- Một sợi dây dài

Tiến hành thí nghiệm:

- Nên thực hiện thả viên sỏi ở một chiếc giếng cạn (vì giếng cạn có hình dáng giống ống cộng hưởng trong thí nghiệm).

- Thả rơi viên sỏi từ miệng giếng. Khi bắt đầu thả thì bấm nút START để cho đồng hồ thực hiện đo thời gian.

- Đặt tai sát miệng giếng, đến khi nghe được âm thanh phát ra từ quá trình va chạm thì bấm nút STOP để đồng hồ dừng đo thời gian. Đo được thời gian tính từ khi thả đến khi nghe được âm thanh là t.

Xử lí số nghiệm:

- Đo độ sâu của giếng: buộc một viên sỏi khác vào sợi dây dài, thả xuống giếng cạn, khi nào viên sỏi chạm đáy giếng thì dừng lại (để biết khi nào viên sỏi chạm đáy giếng bằng cách quan sát phương của sợi dây, khi sợi dây không còn phương thẳng đứng nữa thì khi đó viên sỏi đã chạm đáy giếng) điều chỉnh lại sợi dây để nó có phương thẳng đứng, sau đó đo chiều dài sợi dây tính từ vị trí buộc viên sỏi đến vị trí ngang bằng với miệng giếng. Ta thu được độ sâu của giếng cạn là h.

- Thời gian thả rơi vật: \(t_1=\sqrt{\frac{2 h}{g}}\)
- Thời gian âm phản xạ từ đáy giếng lên đến miệng giếng: \(t_2=\frac{h}{v}\)
Sử dụng công thức: \(t=t_1+t_2 \Leftrightarrow t=\sqrt{\frac{2 h}{g}}+\frac{h}{v} \Rightarrow v=\ldots\) để tìm tốc độ truyền âm.

Phương án thí nghiệm:

- Sử dụng một âm thoa, búa cao su.

- Đặt âm thoa gần bộ cảm biến âm một khoảng vừa đủ, dùng búa cao su gõ nhẹ vào âm thoa, bộ cảm biến âm sẽ nhận sóng âm từ âm thoa và xử lí tín hiệu cho ta đồ thị dao động của sóng âm.

- Do đã cài đặt tỉ lệ trục thời gian ban đầu ta có thể xác định được chu kì của tín hiệu.

- Từ đồ thị xác định được bước sóng (khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp).

- Từ đó xác định được tốc độ truyền âm và tần số của âm thoa.