Charakteristika ultrazvuku a jeho využití v praxi

EVROPSKÝ SOCIÁLNÍ FOND

Charakteristika ultrazvuku a jeho využití v praxi PRAHA & EU INVESTUJEME DO VAŠÍ BUDOUCNOSTI

RNDr. Erika Prausová

Ultrazvuk - úlohy

1. Určení šířky ultrazvukového kuželu sonaru 2. Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa 3. Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje 4. Dopplerův jev 5. Mapování oceánského dna 6. Foucaultovy vířivé proudy

WWW.OPPA.CZ

2

Sonar

 Sonar, což je zkratka pro „sound navigation ranging“ (zvuková navigace a zaměřování), byl vynalezen během první světové války k detekci ponorek. Čidlo polohy a pohybu Vernier funguje podobným způsobem.

WWW.OPPA.CZ

3

Určení šířky ultrazvukového kuželu sonaru

Určení šířky ultrazvukového kuželu sonaru WWW.OPPA.CZ

4

Určení šířky ultrazvukového kuželu sonaru

 Vymyslete a realizujte vhodnou metodu pro určení šířky ultrazvukového kuželu sonaru při jednotlivých polohách přepínače.  Pro některé experimenty je vhodnější spíše úzký kužel (přepínač vlevo – režim „vozíček“), aby nebyly registrovány objekty po stranách, které nás v tu chvíli nezajímají.  V jiných typech experimentu je vhodnější širší kužel, například při sledování skákajícího míče (přepínač vpravo – režim „míč“). Míč totiž má tendenci odsakovat do stran, takže širší kužel umožní sonaru zachytit míč, i když není úplně přesně pod sonarem. WWW.OPPA.CZ

5

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa WWW.OPPA.CZ

6

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

Pomůcky:       

Pružina Závaží Stativ Přenosný datalogger LabQuest 2 Siloměr Vernier Čidlo polohy a pohybu sonar MD-BTD Digitální váha Scout Pro 2000g (0.1)

WWW.OPPA.CZ

7

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa - kinematika

Postup:  Na stojan upevníme siloměr a na jeho háček zavěsíme pružinu se závažím.  Přesně pod závaží položíme sonar. Výšku stojanu upravíme tak, aby minimální vzdálenost závaží od mřížky sonaru neklesla při kmitání pod 15 cm.  Sonar přepneme do režimu „vozíček“ a zapojíme jej do USB portu počítače.  Spustíme program Logger Pro 3. Měřit budeme automaticky nastavenou časovou závislost y = f(t) a v = f(t). WWW.OPPA.CZ

8

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa - kinematika

 Pro sledování závislosti zrychlení na čase zvolíme nabídku Vložit→Graf, a tím umístíme na plochu graf a = f(t). Tlačítkem Ctrl+R se grafy automaticky uspořádají do okna.  Po ustálení závaží v rovnovážné poloze vynulujeme čidlo (Experiment→Nulovat...). Pak rozkmitáme pružinu a spustíme Sběr dat. Na pracovní ploše získáme současně všechny potřebné závislosti a provedeme vyhodnocení.

WWW.OPPA.CZ

9

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa – tuhost pružiny - dynamika

 K LabQuestu připojíme siloměr a propojíme LabQuest s počítačem. Sonar zůstává stále připojen. Na siloměru nastavíme rozsah 10 N.  Nastavíme grafický výstup pro závislost F = f(y): v menu Nastavení→Nastavení grafu na záložce Nastavení souřadnicových os v položce Osa Y zatrhneme veličinu Síla (Force) a v položce Osa X vybereme veličinu vzdálenost (m).

 Před začátkem měření vynulujeme obě čidla.  Daty proložíme přímku (Analýza→Proložit přímku) a odečteme její směrnici, jejíž velikost je rovna tuhosti pružiny. WWW.OPPA.CZ

10

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa – hmotnost - dynamika

 Odpojíme sonar od počítače, zůstává připojen jen LabQuest se siloměrem.  Závaží opět zastavíme v rovnovážné poloze a siloměr vynulujeme.  Ponecháme automaticky přednastavenou časovou závislost. Po dobu 10 s měříme závislost síly na čase.  Po ukončení měření proložíme získanými daty křivku (Analýza→Proložit křivku)  Srovnáním rovnice pro harmonické kmitání y = ym.sin(ωt + φ) s rovnicí obecné sinusoidy vyplývá, že koeficient B se rovná úhlové frekvenci kmitání. WWW.OPPA.CZ

11

Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa – hmotnost - dynamika

 Dopočítáme hmotnost tělesa mk.  Na vahách určíme hmotnost tělesa mv.

Ověřte tvrzení a vysvětlete výsledek měření: Hmotnost tělesa určená dynamickou metodou je vždy větší než hmotnost skutečná.

WWW.OPPA.CZ

12

Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje

Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje WWW.OPPA.CZ

13

Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje

Osvětlení  měříme luxmetrem  jeho hodnoty jsou sledovaným parametrem pro hygienu práce. Jako příklad lze uvést orientační hodnoty pro: čtení 300 lx rýsování 750 lx osvětlení chodeb 75 lx WWW.OPPA.CZ

14

Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje

 proměřte závislost E = f(r)  proložte získaným grafem křivku a srovnejte s předpokládaným průběhem Pomůcky:  PC + sw Logger Pro 3  Přenosný datalogger LabQuest 2  Čidlo intenzity světla, Luxmetr Vernier  Žárovka napájená napětím 230 V  Čidlo polohy a pohybu sonar MD-BTD, Vernier WWW.OPPA.CZ

15

Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje

Postup:  Na luxmetru nastavíme rozsah 0–6 000 lx.  Luxmetr připojíme k LabQuestu a ten společně se sonarem připojíme k počítači.  Na ploše počítače spustíme program Logger Pro, kde se objeví okno pro sledování aktuálních hodnot osvětlení a vzdálenosti.  Na obrazovce ponecháme pouze graf závislosti osvětlení na vzdálenosti. V nabídce Nastavení grafu volíme možnost Nespojovat body.

WWW.OPPA.CZ

16

Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje

Postup:  Připravíme vhodnou odraznou plochu, kterou umístíme do stejné vertikální roviny se zdrojem záření. Je možné použít například tuhý karton s vyřezaným kruhovým otvorem, který přidržíme před světelným zdrojem. Luxmetr spolu se sonarem umístíme před žárovku.  Zatemníme, vynulujeme luxmetr (při vhodné konfiguraci a silném zdroji světla lze přeskočit).  Rozsvítíme žárovku a spustíme měření. Postupně vzdalujeme luxmetr spolu se sonarem od žárovky. WWW.OPPA.CZ

17

Studium závislosti osvětlení na vzdálenosti od zdroje

Postup:  Po ukončení měření necháme naměřenými daty proložit křivku vhodného tvaru Analýza→Proložit  zvažte, o jakou křivku se má jednat podle vztahu v teoretickém úvodu  Posoudíme míru shody a vyslovíme závěr

WWW.OPPA.CZ

18

Dopplerův jev

Dopplerův jev

WWW.OPPA.CZ

19

Dopplerův jev – 1842 Christian Doppler

WWW.OPPA.CZ

20

Dopplerův jev

Pomůcky:      

PC + sw Logger Pro 3 Přenosný datalogger LabQuest 2 Čidlo polohy a pohybu sonar MD-BTD, Vernier Zdroj zvuku Kyvadlo Mikrofon ( nebo další přenosný datalogger LabQuest 2)

WWW.OPPA.CZ

21

Dopplerův jev

Postup:  Sonar zapojíme do konektoru DIG 1 LabQuestu. Na závěs zavěsíme sirénku.  Zapneme LabQuest.  Nastavíme v menu Senzory – Záznam dat: Trvání: 10 s, Frekvence: 20 čtení/s. Zvolíme zobrazení Graf .  Necháme kývat kyvadlo. Stiskneme tlačítko START (měření) na LabQuestu. Z naměřených hodnot určíme amplitudu rychlosti vm a periodu T. Uložíme měření.

WWW.OPPA.CZ

22

Dopplerův jev

Postup:  Do vstupu CH 1 LabQuestu připojíme mikrofon.  Nastavíme v menu Senzory – Záznam dat: Trvání: polovina periody (výše naměřená), Frekvence: 8 000 čtení/s. Zvolíme zobrazení Graf .  Mikrofon umístíme do rovnovážné polohy kyvadla. Zapneme sirénku. Kyvadlo vychýlíme do krajní polohy, pustíme ho a současně stiskneme tlačítko START (měření) na LabQuestu.

WWW.OPPA.CZ

23

Dopplerův jev

Postup:  Na dotykové obrazovce v oblasti „přibližován k mikrofonu“ si označíme „tažením“ část diagramu a v menu Analýza – FFT zvolíme Akustický tlak. Zapíšeme si frekvenci f1 „Špičku“. Stejně provedeme analýzu v části „vzdalování od mikrofonu“. Tím jsme určili frekvence při přibližování f1 (měla by být větší) a při vzdalování f2.  Opět mikrofon umístíme do rovnovážné polohy kyvadla. Zapneme sirénku, pro kyvadlo v klidu určíme frekvenci sirénky f0, měla by mít hodnotu mezi frekvencemi f1 a f2.  Z kmitočtů f0, f1, f2 a rychlosti zvuku vypočítáme rychlost pohybu kyvadla. WWW.OPPA.CZ

24

Dopplerův jev

Postup: Z kmitočtů f0, f1, f2 a rychlosti zvuku vypočítáme rychlost pohybu kyvadla. Měření můžeme několikrát opakovat pro jiné sirenky nebo výchylky (jiná rychlost). Měření můžeme obrátit: Zdroj zvuku Z je v klidu (reproduktor, ladička 440 Hz) a přijímač zvuku se pohybuje – LabQuest zavěšený na kyvadle; využijeme při měření vnitřní mikrofon (menu Senzory – Nastavení senzorů volba INT – Vnitřní mikrofon). POZOR při pohybu LabQuestu na jeho poškození!!!! Můžeme nahrát zvuk troubícího auta jedoucího kolem stálou rychlostí a provést jeho analýzu.

WWW.OPPA.CZ

25

Mapování oceánského dna

Mapování oceánského dna

Profil znázorňující základní morfostruktury dna oceánů. WWW.OPPA.CZ

26

Mapování oceánského dna

 Student vymodeluje oceánské dno, na 3D tiskárně ho vytiskne a sonarem změří hloubku nerovností oceánského dna 

WWW.OPPA.CZ

27

Mapování oceánského dna

 Oceánografové, mořští geologové a archeologové použí-vají sonary ke zkoumání objektů pod hladinou moří a oceánů.  Sonar je zařízení na principu radaru, které místo rádio-vých vln používá ultrazvuk. Signál je vyslán a odrazí se zpět od povrchu pod hladinou. Vědci používají rychlost zvuku ve vodě a čas, za který se signál vrátí zpátky, k tomu, aby vypočítali hloubku, ve které se nachází zkoumaný objekt. Čím hlouběji se nachází, tím déle trvá, než se zvuk vrátí zpátky. Mapa dna oceánu se tvoří tak, že se vyšle série „zahvízdnutí“, které tvoří mřížku, a z času, za který se vrátí, se vypočítá hloubka v daném místě. WWW.OPPA.CZ

28

Foucaultovy vířivé proudy

Foucaultovy vířivé proudy WWW.OPPA.CZ

29

Foucaultovy vířivé proudy – 1851- Jean Bernard Léon Foucault

 Tyto proudy vznikají, když se těleso z elektricky vodivého materiálu pohybuje v magnetickém poli.  Dochází k elektromagnetické indukci a v tělese se indukuje proud, který působí proti změně, která jej vyvolala.  Důsledkem je pak brzdná síla působící na pohybující se těleso:  indukční brzdy  tlumení kývání ručky měřících přístrojů  tlumení setrvačnosti kotouče elektroměru  také způsobuje zahřívaní jader transformátorů, která jsou proto složena z plechů vzájemně odizolovaných a u velkých transformátorů také chlazených olejem WWW.OPPA.CZ

30

Foucaultovy vířivé proudy

Postup:  Magnet zavěsíme volně na závěs tak, aby se mohl volně kývat, ale neotáčel se. Nejprve necháme magnet na závěsu volně kývat. Získáme záznam tlumených kmitů.  Sonar umístime 30 až 40 cm od magnetu. Senzor měří v prostorovém úhlu přibližně 21°.  V další fázi umístíme pod magnet vodivý materiál, který však není feromagnetický. Vhodný je měděný nebo hliníkový plech, čím silnější, tím lépe. Znovu magnet rozkýveme, úvodní výchylka by měla být stejná, jako v prvním případě. Z tohoto důvodu je vhodné přiložit nějaké měřítko. Pozorujeme velmi tlumené kmity. WWW.OPPA.CZ

31

Foucaultovy vířivé proudy

Postup: Je nutné, aby magnet byl těsně nad plechem, optimálně 23 mm. Pro další experimentování můžeme měnit materiál pod magnetem (Al, Cu, Zn, nerez ocel, plast atd.) nebo měnit vzdálenost magnetu od vodivého materiálu.

WWW.OPPA.CZ

32

Foucaultovy vířivé proudy

WWW.OPPA.CZ

33

DĚKUJI ZA POZORNOST

xxx