Porovnání rychlosti zvuku ve vzduchu a ve vodě.

Tomáš Hofrichter

Příspěvek je popisem přibližného měření rychlosti zvuku pomocí školního počítačového systému IP COACH.

Metody měření rychlosti zvuku ve školské fyzice jsou založeny většinou na měření vzdáleností uzlů a kmiten stojatého vlnění, které vzbudí v rezonátoru tón známé frekvence. Toto měření vyžaduje již poměrně dobrou znalost vlastností zvukového vlnění a bývá tudíž zařazeno ke konci kapitoly z akustiky.

S pojmem rychlosti zvuku v různých prostředích se však student setkává již v prvních hodinách akustiky. Na otázku, jak ji změřit, většinou navrhne odměřit jistou vzdálenost, vyslat zvukový signál a změřit dobu, za kterou signál vzdálenost urazí. Tato „přímá“ metoda samozřejmě v praxi naráží na problém přesného měření krátkých časů nebo velkých vzdáleností.

Úlohu relativně přesných stopek v tomto jednoduchém experimentu plní počítač s vhodným měřícím programem (IP COACH, ISES). Dva snímací mikrofony umístíme do co největší vzdálenosti (limitováno připojovacími vodiči a citlivostí mikrofonu M2) cca 1–2 m (viz obr. 1). Měřící prostředí nastavíme tak, aby mikrofon M1 spouštěl záznam časového průběhu akustického tlaku na obou mikrofonech. Jako zdroj Z akustického signálu je vhodné volit co nejkratší impuls. Zároveň, chceme-li měřit touto metodou i pod vodou, musí být zdroj schopen vydávat zvuk i v tomto prostředí. Jako funkční a snadno dostupné se osvědčily dvě kávové lžičky, které při úderu tlumíme prsty.

V bezprostřední blízkosti mikrofonu M₁ vyšleme zvukový impulz. Ten ho zaznamená a spustí celé měření. Mikrofon M₂ impulz zaznamená s jistým zpožděním, které je možno z časových průběhů odhadnout (viz obr. 2). Změříme vzájemnou vzdálenost mikrofonů a dopočítáme odhad rychlosti zvuku. Pro měření ve vzduchu na obrázku 2 je d = 133 cm a Δt = 4 ms, tedy v = 330 ms^-1.

Stejné měření provedeme i pod vodou. Mikrofony je potřeba chránit před vlhkostí a přitom nesnížit jejich citlivost, k čemuž postačí dětské gumové nafukovací balónky. Vzhledem ke schopnostem systému IP COACH by měla být nádoba na vodu dlouhá alespoň 1 m, aby naměřený čas byl alespoň 1 ms. Dovolují-li to rozměry nádoby, je dobré měřit ve vzduchu i vodě ve stejné vzdálenosti mikrofonů (viz obr. 3). Pro vodu obdržíme hodnoty d = 133 cm, Δt = 1 ms, tedy v = 1300 ms^-1.

Řádový rozdíl mezi rychlostí zvuku ve vzduchu a vodě je tedy poměrně průkazný. Zároveň lze se žáky nad časovými průběhy rozvinout diskuzi o změnách tvaru signálu na mikrofonu M2 nebo útlumu zvukového vlnění při šíření prostředím.