Введение 4
Глава 1 Обзор характеристик платформы Arduino и датчиков Vernier 6
1.1. Анализ возможностей платформы Arduino 6
1.2. Характеристики интерфейсов и датчиков Vernier 9
1.2.1. Интерфейсный шилд Vernier Arduino 9
1.2.2. Цифровой блок управления Vernier 10
1.2.3. Датчик звука Vernier 11
1.2.4. Датчик температуры поверхности Vernier 11
1.2.5. Адаптер Vernier myDAQ Adapter 12
1.2.6. Блок сбора данных NI myDAQ 13
1.3. Анализ программного обеспечения поддержки эксперимента 13
1.3.1. Среда разработки Arduino IDE 13
1.3.2. Программа Logger Pro 14
1.3.3. Среда разработки LabVIEW 14
Глава 2 Методы измерения скорости звука с помощью цифрового оборудования... 16
2.1 Измерение скорости звука по задержке непрерывных сигналов двух разнесённых микрофонов 16
2.2. Измерение скорости звука методом стоячей волны 20
2.2.1 Измерение скорости звука методом стоячей волны при комнатной
температуре среды 20
2.2.2. Измерение зависимости скорости звука от температуры методом стоячей волны 24
2.3 Измерение скорости звука импульсным методом 25
2.3.1 Измерение скорости звука импульсным методом с применением блока NI
myDAQ 25
2.3.2 Измерение скорости звука импульсным методом с применением шилда
Vernier Arduino 31
Заключение 34
Список литературы 35
Приложение
В учебном процессе ряда естественно-научных специальностей важное место занимают лабораторные работы [1]. В ряде таких работ возникает необходимость измерения большого количества параметров. Измерение характеристик на традиционном
устаревшем оборудовании приводит к большим потерям времени на выполнение рутинных операций. Например, одной из типовых задач общего физического практикума по молекулярной физике является измерение скорости звука. С помощью скорости звука можно определить отношение молярных теплоемкостей воздуха (отношение
⁄) [2].
Звуковые волны являются вибрацией, которая распространяется механической
волной, и лежат в диапазоне от 16 до 20000 Гц. В результате наложения распространяющихся волн возникает явление интерференции, т.е. наблюдается явление усиления и ослабления (или полного гашения) колебаний в местах распространения. В случае наложения двух колебаний, имеющих одинаковую частоту и амплитуду и распространяющихся в противоположных направлениях, образуются стоячие волны [3].
Основные результаты выпускной квалификационной работы заключаются в следующем:
1. Разработано программное обеспечение измерения скорости звука, позволяющее произвести измерение по трем методам.
2. Были получены следующие значения скорости звука в воздухе:
Метод временной задержки : сзв = 323 м/с
Метод стоячей волны : 8зв = 331 м/с
Импульсный метод (при длительности импульса τ = 2 мс):
На основе блока NI myDAQ: 8зв = 343 м/с
На основе Arduino: 8
зв = 340 м/с
Полученные значения близки к справочному значению, равному сзв = 343 м/с
при 20 °С.
В результате проведения исследования, были получены различные значения скорости звука. Исходя из полученных величин, можно сделать вывод, что использование более длинного резонатора позволяет получить близкое значение скорости звука
в воздухе к теоретическому.
3. Получены экспериментальные данные, показывающее увеличение скорости
звука с повышением температуры воздуха:
При низкой температуре 8 °С = 281 °K: 8зв = 316 м/с
При комнатной температуре 26 °С = 299 °K: 8зв = 335 м/с
При высокой температуре 67 °С = 340 °K: 8зв = 363 м/с
Использование современного цифрового оборудования, реализующего
предложенные в работе программно–аппаратные решения, и простейших
приспособлений позволяет измерить скорость звука в воздухе различными методами
с приемлемой для учебных целей точностью.
