Přímé měření rychlosti zvuku

Josef Hubeňák

Mobilní telefony jsou znakem doby, podobně jako před nimi počítač, dříve televize, nebo kdysi parní stroj. Mobilní telefony jsou dnes všude a učiteli fyziky může odložený mobil poskytnout pár zajímavých součástek, s nimiž lze ve výuce zaujmout studenty. Dvě dosti velké součásti mobilu jsou elektretový mikrofon (bývají dva v jednom telefonu) a reproduktor – ten je většinou krystalový. Mikrofon má zajímavou konstrukci:

Zvuk rozechvívá membránu z nitridu křemíku, nesoucí teflonový elektret. Změny napětí na výstupu samotného mikrofonu jsou malé, a proto se mikrofon vyrábí spolu se zesilovačem (obr. 2)

Polem řízený tranzistor má hradlo G spojené s elektrodou pokrytou nábojem v teflonu a kolektor vyveden pro připojení vnějšího zdroje. Samotný elektretový mikrofon pracuje jako kondenzátor s konstantním nábojem a proměnnou kapacitou. Elektretový mikrofon má pak jen dva vývody, vyžaduje ovšem připojení na zdroj stejnosměrného napětí přes rezistor.

Takto jsou zapojeny i mikrofony u počítačů, pokud jsou vybaveny zvukovou kartou. Citlivost je podle údajů v katalogu asi 5 až 6 mV·Pa^-1.

Výroba teflonového elektretu je fyzikálně zajímavá – jde doslovně o nastřelování urychlených elektronů do teflonové fólie (obr. 3).

Elektret je formován implantací elektronů do tenké vrstvy pomocí tyratronu se zadním osvětlením (Back-Lighted Thyratron). Funguje jako elektronové dělo a dává pulzní svazek elektronů o průměru několika mm a s energií jednotek keV. Zdroj UV záření uvolní z fotokatody elektrony, ty jsou urychleny elektrickým polem a směrovány na teflonovou fólii. Ionty helia neutralizují náboj elektronů, které nepronikly do teflonu. Byly získány vzorky elektretu s hustotou náboje od 1·10^-5 C·m^-2 až do 8·10^-4 C·m^-2 . Za více než dva a půl roku nebyl pozorován úbytek náboje ve stabilizovaném elektretu při pokojové teplotě. Ovšem byl také zjištěn úbytek 80% náboje při teplotě 190°C. Intenzita elektrického pole u povrchu fólie dosahuje 10⁶ V·.m^-1, a to už je na hranici elektrické pevnosti vzduchu.

Milivoltový signál je pro školní přístroje dost malý, a proto je vhodné jej předem zesílit. K tomu stačí jednotranzistorový zesilovač stabilizovaný emitorovým odporem, zesilující asi 50krát. Takový signál již lze pohodlně využít k přímému měření rychlosti zvuku.

K měření byl použit systém IP Coach a dva identické mikrofony, připojené na dva kanály konzoly systému. Vzdálenost mezi mikrofony asi 1,5 m stačí k tomu, aby signál druhého mikrofonu byl zaznamenán s měřitelným zpožděním. Záznam se spustí signálem prvního mikrofonu a stačí jen tlesknout před prvním mikrofonem. Pak najdeme na záznamu dva body grafu, zobrazující maxima (minima) tlaku zvukové vlny a odečteme zpoždění signálu (obr. 5).

Rychlost zvuku, počítaná elementárně ze vzorce v = Δx/Δt; vychází s malým rozptylem hodnot:

Měření bylo provedeno při teplotě t = 22°C, relativní vlhkosti φ = 55% a atmosférickém tlaku p_a = 994 hPa .

Krystalové reproduktory lze využít k ukázce interference zvuku. Výhodou reproduktorů jsou jejich malé rozměry výstupní otvor lze považovat za takřka bodový zdroj, i když použijeme vysoký kmitočet. Elektronkový tónový generátor nastavíme na amplitudu 10 V a frekvenci 6 kHz. Dva pevně umístěné reproduktory jsou od sebe vzdáleny 13 cm a mikrofonem sondujeme tlakové pole (obr. 6). Mikrofon přemísťujeme rukou a maxima a minima lze měřit střídavým milivoltmetrem (digitálním multimetrem). Záznam na počítači se systémem IPCOACH je přesvědčivým důkazem existence maxim a minim (obr. 7).

V bodě X leží maximum na ose spojnice obou reproduktorů, které kmitají se souhlasnou fází, byl zvolen kmitočet 6 kHz..Pokud jeden z reproduktorů přepólujeme, bude zde právě minimum. (Na vodorovné ose grafu je čas 0 až 4,5 sekund – doba přesunu mikrofonu.)

Experiment lze upravit i jinak: mikrofon ponecháme na místě a jeden z reproduktorů se bude vzdalovat nebo přibližovat (obr. 8).

V záznamu jsou patrná místa, kdy se signál obou reproduktorů navzájem zesiluje nebo zeslabuje (obr. 9). Tento experiment lze zaznamenat i sluchem: v celé učebně je slyšet kolísání hlasitosti signálu a orientačně lze tady i určit vlnovou délku.

Literatura

[1] Hubeňák,J.,Podobský,J.: Přímé měření rychlosti zvuku MFI roč.10, č.10, s.61.

[2] Wen H.Hsieh, Tze-Jung Yao and Yu-Chong Tai: Vysoce výkonný elektretový mikrofon s teflonovou folií. Katedra elektroinženýrství, Caltech Kalifornie, USA (dostupné na internetu).