28 Merjenje hitrosti ultrazvoka s piezokristali in osciloskopom

Fizikalni eksperimenti 2 vaja 28 stran: 1
28 Merjenje hitrosti ultrazvoka s piezokristali in osciloskopom
Zvok se po prostoru prenaša kot nihanje snovi in zato po vakuumu ne more potovati. Pri
zvočnem valovanju v plinih in kapljevinah je nihanje le v smeri potovanja zvoka, zato je tam
zvočno valovanje vzdolžno (longitudinalno). Valovna dolžina (λ), frekvenca (ν) in hitrost (c)
zvočnega valovanja so povezane z znano zvezo:
c = λν
(1)
Ultrazvok je zvočno valovanje s frekvencami nad 20 kHz. Zgornja meja frekvence je dana s
tehnično zmogljivostjo proizvajanja hitrih mehanskih nihanj, najvišje dosežene frekvence so
okrog 250 MHz. Tako hitra mehanska nihanja ne morejo prodreti do slišnega centra možganov
in jih zato ne moremo slišati, pač pa jih občutimo kot posebno bolečino, glavobol. Ultrazvok je
tudi del ropota, ki ga proizvajajo hitro se vrteči stroji in naprave. Posebno močan izvor ropota so
raketni motorji.
Ultrazvok zaznavajo in oddajajo nekatere živali. Slišijo ga psi, netopirji se orientirajo in lovijo
plen z ultrazvokom podobno kot z radarjem. Ultrazvok, ki ga oddajajo ima frekvenco od 20 do
60 kHz. Delfini in kiti uporabljajo ultrazvok za medsebojno komunikacijo in orientacijo. Vsak
izmed njih ima svojo govorico-t.i. ultrazvočne zvene. Ultrazvok, ki ga oddajajo ima frekvenco
150 kHz. To je velika prednost, saj se ultrazvok v vodi absorbira veliko manj kot običajni zvok.
Navadni zvočniki in mikrofoni navadno niso primerni kot izvori oziroma detektorji ultrazvoka.
V ta namen se največkrat uporabljajo piezoelektrični kristali. To so kristali, na katerih se ob
majhnem mehanskem stiskanju ali raztegovanju pojavi električna napetost. Zvočno valovanje, ki
pada na piezoelektrični kristal, povzroči izmenično stiskanje in raztezanje kristala s frekvenco, ki
je enaka frekvenci vpadnega zvoka. Zaradi tega se na kristalu pojavi izmenična napetost enake
frekvence, ki jo lahko nato opazujemo z osciloskopom. Pojav obstaja tudi v obratni smeri: ko
piezoelektrični kristal priključimo na izmenično napetost, se začne izmenično raztezati in stiskati
s frekvenco, ki je enaka frekvenci izmenične napetosti. Nihanje kristala se prenese na okoliško
snov in kristal s tem oddaja ultrazvočno valovanje.
Naloga
Izmeri hitrost zvoka v zraku s pomočjo ultrazvočnega oddajnika in sprejemnika
a) z zunanjem proženjem,
b) z notranjim proženjem,
c) z opazovanjem fazne razlike med signaloma.
Potrebščine
Osciloskop, funkcijski generator (sinusne, žagaste in pravokotne napetosti), ultrazvočni oddajnik
in sprejemnik, merilni trak ali meter, koaksialne vodnike.
Navodilo
Hitrost zvoka boste pri vseh treh vajah določili posredno preko meritve frekvence in valovne
dolžine ultrazvoka (enačba (1)).

Fizikalni eksperimenti 2 vaja 28 stran: 2
a) Ultrazvočni oddajnik in sprejemnik sta pritrjena na drsno merilo. Oddajnik priključite na
funkcijski generator, sprejemnik pa na osciloskop (slika 1). Drugi izhod generatorja pa povežite
na vhod za zunanji prožilni signal osciloskopu (angleško trigger) Frekvenco napetosti na
oddajniku nastavite na 40 kHz. Vključite osciloskop in generator.
Seznanite se z gumbi in nastavitvami osciloskopa (pomagajte si z Dodatkom A: Osciloskop ter s
priloženimi fotografijami postavitve vaje in osciloskopa). Če je osciloskop pravilno nastavljen in
je z vezavo vse v redu, osciloskop prikaže sinusno napetost s sprejemnika.
Slika 1.
Slika 2. Shematični prikaz spreminjanja faze signala na sprejemniku s spreminjanjem razdalje
med oddajnikom in sprejemnikom. Prožilec slike osciloskopa je sinhroniziran s signalom na
oddajniku; v prikazanem primeru sliko na osciloskopu začne risati, ko napetost na oddajniku
doseže vrh nihaja. Če je sprejemnik v tem trenutku na mestu, kjer ima ultrazvočno valovanje
dolino, se bo slika na zaslonu ravno tako začela z dolino (polna črta). Če sprejemnik
premaknemo za polovico valovne dolžine, se bo temu ustrezno premaknila tudi slika na
osciloskopu (črtkana črta).
Sledi meritev valovne dolžine uporabljenega ultrazvoka. Z drsnim merilom spreminjajte razdaljo
med oddajnikom in sprejemnikom. Opazili boste, da se s spreminjanjem razdalje premika tudi
slika na zaslonu osciloskopa. Če razdaljo med oddajnikom in sprejemnikom spremenite za
polovico valovne dolžine ultrazvočnega valovanja, se slika na osciloskopu premakne ravno za
polovico periode (slika 2). Vaša naloga pa je, da izmerite razdaljo med oddajnikom in
sprejemnikom, ki bo enaka spremembi šestih valovnih dolžin ultrazvočnega valovanja, s čimer

Fizikalni eksperimenti 2 vaja 28 stran: 3
povečamo natančnost meritve. Dobljeno vrednost delite s številom valovnih dolžin (N=5), saj ste
med šestimi istimi ponovitvami dejansko premaknili oddajnik od sprejemnika za pet valovnih
dolžin, kar dobimo iskano amplitudo.
Meritev amplitude opravite šestkrat ter izračunajte hitrost zvoka z napako.
b) Pri drugem delu izklopite zunanje proženje in priključite na notranje. To storite s pritiskom na
gumb TRIG. INP., vezava ostane enaka kot pri vaji a. Zopet spreminjaš razdaljo med
ultrazvočnim oddajnikom in sprejemnikom, ter zaznaš spremembo slike na zaslonu osciloskopa.
Pri meritvi amplitude razmislite kaj dejansko predstavlja njeno spremembo. Kot je opaziti na
zaslonu osciloskopa, se valovanje ob spreminjanju razdalje med oddajnikom in sprejemnikom
spreminja v smeri y-osi, medtem ko pa se je slika valovanja pri vaji a. spreminjala v smeri x-osi
(slika 3.). Merite spremembo razdalje med ultrazvočnim sprejemnikom in oddajnikom, ki bo
enaka razdalji šestim amplitudam. Napravite šest meritev ter izračunajte hitrost zvoka.
Slika 3. Shematični prikaz spreminjanja faze signala na sprejemniku s spreminjanjem razdalje
med oddajnikom in sprejemnikom.
c) Pri zadnjem delu povežite drugi izhod generatorja na vhod za drugi kanal na osciloskopu
(INPUT CH 2). Osciloskop priključi v način X-Y, omogočite ga tako, da pritisnete na gumb x-y
v zgornjem levem delu osciloskopa (pomagajte si s poglavjem C. Osciloskop ter s priloženimi
fotografijami postavitve vaje in osciloskopa) in ga uporabljajte samo takrat ko imate na vhodu
signal, saj lahko drugače uničite notranjo fosforno plast zaslona. Na ekranu se vam izriše elipsa.
S spreminjanjem razdalje med zvočnikoma opazite da se elipsa skrči v črto nagnjeno v eno
smer.
Z nadaljnjim večanjem razdalje črta zopet preide v elipso, ki nadalje preide zopet v črto, ki pa je
nagnjena v drugo smer (Slika 4). Sprememba razdalje med oddajnikom in sprejemnikom je
enaka eni valovni dolžini natanko tedaj, ko se izriše črta nagnjena v isto smer. Merite razdaljo
med šestimi valovnimi dolžinami ter izračunajte amplitudo.
Napravite šest meritev ter izračunajte hitrost zvoka z napako.

Fizikalni eksperimenti 2 vaja 28 stran: 4
Slika 3. Shematični prikaz slik, ki se vam izrišejo na ekranu osciloskopa, med spreminjanjem
razdalje med ultrazvočnim oddajnikom in sprejemnikom.
Priprava
1. Nariši shemo katodne cevi in pojasni njeno delovanje, ter naštej primere kje se uporablja.
2. Opiši delovanje osciloskopa.
3. Kaj je ultrazvok (opis, frekvenčno območje, uporaba, zaznava,…)?
4. Kako delujeta ultrazvočni oddajnik in sprejemnik?
5. Zakaj je razdalja, ko se je na zaslonu zopet izrisala začetna slika, natanko ena valovna
dolžina?
6. V čem je prednost merjenja z ultrazvočnim oddajnikom in sprejemnikom namesto z
navadnim zvočnikom in mikrofonom?
7. S čim smo pri vaji c) omogočili prikaz elipse na zaslonu in kaj predstavlja ta slika?
8. Razloži razliko med nalogo a) in b)!
9. Na spodnji sliki na kotirne črte dopiši, kolikšen večkratnik ali del valovne dolžine predstavlja
premik.