Fala dźwiękowa to rozchodzące się w ośrodku sprężystym (gaz, ciecz lub ciało stałe) zaburzenia ciśnienia (gęstości). Fala, jako całość, nie przemieszcza ze sobą cząsteczek od źródła dźwięku do ucha – w warunkach bezwietrznych pozostają one w niewielkim obszarze.

Przemieszcza się tylko samo zgęszczenie tych cząsteczek, obejmując coraz to nowe obszary przestrzeni. Prędkość rozchodzenia się takiej fali wyraża się wzorem:

Prędkość ta zależy od właściwości ośrodka w jakim rozchodzi się fala. W powietrzu prędkość dźwięku wynosi około 343 m.s, czyli 1235 km/h. Ważną, z punktu widzenia naszego zadania, wielkością opisującą falę dźwiękową jest jej natężenie. Jest to energia padająca w jednostce czasu na jednostkę powierzchni. Można to zapisać za pomocą wzoru

Jest to bardzo istotne, gdyż natężenie oraz średnia energia zwiększa się proporcjonalnie do kwadratu amplitudy fali.

Problem badawczy: Wpływ dźwięku na płomień palnego gazu utworzonego nad cienką metalową siatką

Hipoteza: W pewnych warunkach płomień bardzo wrażliwie reaguje na dźwięk. Niższe dźwięki powinny bardziej wpływać na zachowanie płomienia niż wyższe.

Zmienna niezależna: częstotliwość (od 100 do 2000 Hz) oraz rodzaj fali dźwiękowej (sin, square, triangle, saw)

Zmienna zależna: kształt i zachowanie płomienia

Zmienne kontrolowane:

Grupa kontrolna:

• Zapalony strumień gazu palnego niepoddany działaniu fal dźwiękowych

Grupa badawcza:

• Zapalony strumień gazu palnego poddany działaniu fal dźwiękowych

Materiały:

• palnik,
• gaz,
• statyw na palnik,
• cienka metalowa siatka,
• uchwyty na siatkę do zamontowania nad palnikiem,
• kamera lub aparat z funkcją nagrywania (poklatkowego)
• głośnik(i),
• urządzenie odtwarzające dźwięki (telefon),
• miarka,
• syntezator pozwalający na odtwarzanie poszczególnych częstotliwości i rodzajów dźwięku

Metoda:

1. Przygotowanie stanowiska pracy (postawienie palnika na stole laboratoryjnym i podłączenie do niego butli z propanem, ustawienie miarki przy palniku i nałożenie metalowej siatki nad otwór palnika).
2. Ustawienie kamery w odległości 0,5m od palnika tak, aby znajdował się on w centrum kadru.
3. Ustawienie głośnika w odległości 15 cm od palnika tak, aby był on skierowany w jego stronę.
4. Włączenie nagrywania w kamerze z funkcją nagrywania ( 60 fps).
5. Zapalenie palnika.
6. Odtwarzanie kolejnych sekwencji fal dźwiękowych o różnych częstotliwościach i rodzajach z głośników.
7. Odtworzenie nagranego filmu na komputerze w trybie slow-motion i zapisanie obserwacji dla poszczególnych fal.

Nad palnikiem gazu ziemnego w odległości 5 cm została umieszczona równolegle do ziemi metalowa siatka, ponad którą palił się płomień. Palnik został ustawiony w taki sposób, aby nie mieszał on gazu z powietrzem. Żeby otrzymać pożądany płomień (tylko nad metalową siatką) należało zdmuchnąć płomień pod nią i delikatnie oddalić palnik, jednocześnie zmniejszając dopływ gazu. W odległości kilkunastu centymetrów od płomienia były ustawione pionowe głośniki, z których wydobywały się dźwięki. Przez aplikacje na telefonie były emitowane dźwięki o takiej samej amplitudzie z różnymi częstotliwościami i rodzajami fali. Kolejno były to: fala sinusoidalna, fala trójkątna, fala „piła” i fala kwadratowa. Częstotliwość była inkrementowana o 100Hz począwszy od 100 Hz, a skończywszy na 2kHz. Całe doświadczenie zostało nagrane kamerą, aby później można było prześledzić zmiany zachodzące w strukturze płomienia. Następnie w programie do obróbki filmów zostały wyodrębnione klatki z poszczególnymi rodzajami fali i częstotliwościami. Kolejno w programie graficznym za pomocą narzędzia pomiaru zostały naniesione wymiary płomienia. W związku z tym, z poszczególnych kadrów nie można było odczytać skali ze względu na zbyt ciemne tło, przyjęte wartości mogą nie znaleźć odzwierciedlenia w rzeczywistości. Są one jednak bardzo przydatne, jeśli chodzi o odczytanie procentowych zmian wysokości płomienia. Poniżej znajdują się wybrane klatki z dokonanymi pomiarami.

Zapalony płomień bez wpływu dźwięku miał formę stożka o średnicy podstawy ok. 2 cm, wysokości ok. 3 cm i miał barwę niebieską. Przy pierwszych dwóch typach fal, czyli przy fali sinusoidalnej i trójkątnej początkowa wysokość płomienia wynosiła 25 [mm], natomiast przy próbie z falami typu „piła” i falami kwadratowymi wysokość początkowa płomienia zmalała do 20 [mm]. Zostało to spowodowane najprawdopodobniej faktem rozregulowania kurka dozującego gaz. W zależności od rodzaju fali dźwięku płomień różnie się zachowywał. Przy falach kwadratowych I typu "piła” płomień reagował już przy najniższych częstotliwościach. Zauważyliśmy zasadę, że przy częstotliwościach w granicach 900 i 1000Hz, przy falach sinusoidalnych, trójkątnych i falach typu „piła” dźwięk najsilniej oddziaływał z płomieniem powodując jego spłaszczenie. W przypadku fali kwadratowych następowało niewielkie zmniejszenie oddziaływania dźwięku na płomień wraz ze wzrostem częstotliwości. Również zauważyliśmy zasadę, że im niższy płomień tym szerszy, a im wyższy tym szczuplejszy. Można powiedzieć, że w przedziale od 100Hz do 2kHz płomień cały czas był niższy, niż w przypadku grupy kontrolnej. Momentami, w przypadku wyższych częstotliwości, w środku płomienia pojawiał się zarys drugiego - mniejszego.

Informacje o wysokości płomienia, które zebraliśmy, zostały umieszczone w poniższej tabeli.

A następnie przedstawione w wykresie dla łatwiejszego zinterpretowania danych.

Jak można zauważyć na wykresie każdy rodzaj fali wpływa w pewien sposób na kształt płomienia. Fale kwadratowe i piłokształtne już od najniższych częstotliwości powodowały zmniejszenie się płomienia o około 50 – 75%. W przypadku tych fal płomień zaczął wyraźnie wzrastać dopiero od częstotliwości 1500 Hz. W przypadku fal sinusoidalnych i trójkątnych zauważamy lekki wpływ na wysokość płomienia do 800 Hz (zmniejszenie o około 15 – 30%). Po tej częstotliwości następuje ogromny przeskok i płomień zmniejsza się aż o 60 – 80%, co utrzymuje się do końca badanych częstotliwości.

Po interpretacji danych można wyciągnąć wniosek, iż sinusoidalne i trójkątne fale dźwiękowe wpływają na kształt i zachowanie płomienia najbardziej w przedziale od 900 do 1500 Hz. Fale kwadratowe i typu „piła” wpływają na wysokość płomienia już od najniższych częstotliwości, jednakże w przedziale częstotliwości 900-1300 Hz miały odmienny wpływ.

Można to wyjaśnić tym, że rozchodzenie się dźwięku polega na przekazywaniu drgań jednych cząsteczek ośrodka kolejnym. W powietrzu, jak przedstawiono na rysunku, jest to fala podłużna. Oznacza to, iż drgania cząsteczek powietrza są równoległe do kierunku rozchodzenia sią fali. Fala akustyczna przenosi ze sobą energię. Na tą energię ma wpływ długość fali (im krótsza tym większa energia) oraz amplituda (średnia energia wprost proporcjonalna do kwadratu amplitudy). W tym doświadczeniu amplituda jest taka sama, dzięki czemu badamy wpływ samej częstotliwości. Dodatkowo w przypadku tego doświadczenia możemy znaleźć analogię do rury Rubensa, w której to płomienie pokazują w których miejscach fala jest najbardziej skondensowana, a w których mniej.

Badany przez nas płomień znajdował się w jednakowej odległości od źródła dźwięku , dlatego możemy powiedzieć, że podobne wyniki otrzymalibyśmy badając płomień w rurze Rubensa, który wylatywałby z otworu oddalonego o taką samą odległość od membrany, jak nasz płomień od źródła dźwięku. Wydawać by się mogło, że ogień powinien coraz to bardziej maleć do momentu zgaśnięcia. Niestety przy zbyt dużych częstotliwościach płomień przestaje nadążać za falą i reprezentuje tylko średnią energię, która na niego oddziałuje.

Informacje:

• https://pl.wikipedia.org/wiki/Rura_Rubensa
• http://www.naukowiec.org/wzory/fizyka/energia-fali-dzwiekowej_960.html
• http://www.fizykon.org/akustyka/akustyka_predkosc_dzwieku.htm
• http://g133wawa.edupage.org/files/Fale_dzwiekowe.pdf

Zdjęcia:

• http://www.wo.amu.edu.pl/srf2005/img/6.jpg
• http://www.moskat.pl/szkola/fizyka/img_obrazki/drgania_i_fale/fala_dzwiekowa.gif