Stroom en geluid

Deze natuurkundeproef gaat over stroom en geluid.Vragen als hoe je geluid kunt beïnvloeden door middel van weerstanden en hoe je de te lage of juist te hoge tonen uit je luidspreker kunt verwijderen worden in deze proef behandeld. Dit verslag is beoordeeld met een 9 op VWO-niveau.

INHOUDSOPGAVE

Gegevens vooraf:

§ 1.1 Gegevens

§ 1.2 Titel

§ 1.3 Inleiding

§ 1.4 Bronvermelding

§ 1.5 Toelichting Hoofdstukindeling

§ 2 Onderzoeksvraag

§ 3 Theorie
-Geluid
-Luidspreker
-Vergelijken
-Stroomsterkten meten
-Aan de slag….

§ 4 Inleiding Werkplan

Deelproef 1:

§ 5.1 Werkplan

§ 5.2 Onderzoeksbevindingen

§ 5.3 Conclusie

Deelproef 2:

§ 6.1 Werkplan

§ 6.2 Onderzoeksbevindingen

§ 6.3 Conclusie

Deelproef 3:

§ 7.1 Werkplan

§ 7.2 Onderzoeksbevindingen

§ 7.3 Conclusie

§ 8 Totale Conclusie

§ 9.1 Extra Gegevensuitwerking

§ 9.2 Extra Conclusie

§ 10 Discussie
-Verbeterde proefopstelling
-Toepassing in de praktijk

§ 1.1 GEGEVENS

Namen : Lennart Remeijsen, Robert Boer

Uitvoering proef

Plaats : Willem de Zwijger College,
Van der Palmstraat 2 , Papendrecht,
Nederland

Tijd :
maandag 1 februari 1999 14.15-15.55
dinsdag 9 februari 1999 13.25-15.05
dinsdag 2 maart 1999 13.25-15.05
dinsdag 9 maart 1999 13.25-15.05

§ 1.2 TITEL

Titel : Geluid en stroom

§ 1.3 INLEIDING

In de natuurkundelessen wordt veel aandacht besteed aan onderwerpen als geluid en elektriciteit. Dit geldt zowel voor de H.A.V.O.- als V.W.O. klassen. Toch is het opmerkelijk dat deze twee onderwerpen nauwelijks met elkaar gecombineerd worden. Tevens zijn wij allebei geïnteresseerd in geluidsapparatuur. Door die redenen is deze proef aanvullend met dit verslag ontstaan. Zo stellen we ons zelf vragen als: wat hebben geluid en stroom met elkaar te maken, in hoeverre hebben ze invloed op elkaar, hebben ze bepaalde verhoudingen tot elkaar. Wat gebeurt er bij verschillende frequenties en geluidsniveaus met de stroomsterkte? In hoeverre is het geluid te beïnvloeden met weerstanden? Op al deze vragen proberen we antwoorden te formuleren die gebaseerd zijn op verkregen meetresultaten.

§ 1.4 BRONVERMELDING

De onderstaande bronnen zijn geraadpleegd:

- Drs. J.W. Middelink, Systematische Natuurkunde voor bovenbouw vwo B -1. (Van Walraven bv~Apeldoorn), p.15/16/17

- Drs. J.W. Middelink, ir. F.J. Engelhard, Systematische Natuurkunde voor bovenbouw vwo B -2. (Van Walraven bv~Apeldoorn), p. 150/151/156/157/158

- Drs. J.W. Middelink, Systematische Natuurkunde voor bovenbouw vwo C -2. (Van WAlraven bv~Apeldoorn), p.170/171/172/173/176/177

§ 1.5 TOELICHTING HOOFDSTUKINDELING

Om verwarring te voorkomen volgt hier een kleine toelichting over de opbouw van dit verslag. Om de proef voor iedreen begrijpbaar te maken is enige voorkennis vereist. Daarom wordt het één en ander in de "Theorie" behandeld en herhaald. Om een duidelijk antwoord te kunnen formuleren op de nog komende onderzoeksvraag is de proef opgedeeld in drie deelproeven. Iedere deelproef wordt beschreven in een "Werkplan", dat wordt gevolgd door "Onderzoeksbevindingen" en een "Conclusie". Deze volgorde wordt herhaald bij deelproef 2 en deelproef 3. Aan het einde volgt dan nog een "Totale Conclusie", waarbij de drie deelconclusies overzichtelijk bij elkaar worden geformuleerd. Daarna volgt een "Extra Gegevensuitwerking" m.b.v. de verkregen gegevens van de 3 deelproeven en een "Extra Conclusie". Uiteraard wordt dit nog gevolgd door een "Discussie" waarbij toepassingen in de praktijk en verbeterde proefopstellingen ter sprake komen.

§ 2 ONDERZOEKSVRAAG

De ondezoeksvraag luidt als volgt: Welk verband bestaat er tussen verschillende stroomsterkten, verschillende frequenties en verschillende geluidssterkten van geluid?

§ 3 THEORIE

Om een goed en duidelijk antwoord te geven op de hierbovengenoemde onderzoeksvraag, zullen we meerdere proeven uit moeten gaan voeren. Om alle proeven voor iedereen zo duidelijk mogelijk te maken, is flink wat voorkennis vereist. In dit hoofdstuk komen alle zaken aan de orde die hiervoor noodzakelijk zijn..

GELUID

We zullen bij het begin beginnen. We kunnen een onderscheid maken door meerdere begrippen erbij te halen die betrekking hebben op geluid. Bepaalde tonen kunnen we op verschillende toonhoogten voortbrengen. We spreken ook wel over de frequentie van een toon. De frequentie van een toon is simpelweg de hoeveelheid trillingen die per seconde worden voortgebracht.

In formulevorm: frequentie = 1 / aantal trillingen per seconde

De frequentie wordt uigedrukt in Herz.

Een andere begrip is de zogenaamde geluidssterkte van een bepaalde toon.

Dit heeft te maken met het volume waarop een bepaalde toon wordt voortgebracht of te horen is. We spreken ook wel van het geluidsniveau van een bepaalde toon. We drukken dit uit in decibel, afgekort dB. Om enige indicatie te geven over wat voor waarden we het hier hebben, volgen hier enige voorbeelden.

absolute stilte 0 dB. (bijna onmogelijk)
drukke verkeersweg 80 dB.
beschadiging gehoor 140 dB.

Bij een verdubbeling van de geluidssterkte neemt het geluidsniveau met 3 dB. toe. Door een verandering van het het geluidsniveau verandert de amplitudo van de trilling. De trilling beweegt om een zogenaamde evenwichtsstand (in de figuur de 0-as). De uitertste waarden van zo´n trilling ten op zichte van de evenwichtsstand noemen we de amplitudo.

Maken we de geluidssterkte groter/kleiner dan wordt de amplitudo ook groter/kleiner.

LUIDSPREKER

We weten nu dat geluid een trilling is, een trilling van de lucht. We kunnen nog niet verklaren hoe deze trillingen uit een luidspreker ontstaan. Ook hier zullen we weer bij het begin beginnen.

We beginnen bij de bron. De bron in ons systeem is de toongenerator. Dit is een apparaat waarmee we de luidspreker aan kunnen sturen. De frequentie en de geluidssterkte kunnen we op het apparaat instellen en via elektrische stromen doorgeven aan de luidspreker. Geluid bestaat uit trillingen om een evenwichtsstand (in de figuur de 0-as). Het zal dan ook niet verbazingwekkend zijn dat de elektrische stroom zich als een wisselstroom zal gedragen naar de luidspreker toe. Dan weer positief (+), dan weer negatief (-)à de snelheid waarmee dit wordt afgewisseld zal de toonhoogte bepalen.

Daarmee hebben we nog niet verklaard hoe de luidspreker dit signaal omzet in een luchttrilling. Om dit proces te kunnen begrijpen moeten we het begrip lorentzkracht er bij halen. Magneten, rechte stroomdraden en stroomspoelen hebben een eigen magnetisch veld om zich heen. Ze ondervinden van hun eigen veld geen krachten, maar wel indien ze zich bevinden in nog een ander magnetisch veld. We wekken een lorentzkracht op als de situatie voldoet aan 2 voorwaarden namelijk:

Er moet een stroom lopen door de draad

De draad moet zich in een magnetisch veld bevinden (niet het eigen magnetische veld)

 

Om de richting van de lorentzkracht te bepalen hebben we de linkerhandregel nodig. Dit houdt in dat we:

de magnetische veldlijnen opvangen in de palm van onze
linkerhand (magnetische veldlijnen lopen van de noord- naar de zuidpool)

onze vingers moeten strekken in de richting van de stroom

onze duim moeten strekken en dat die de richting aangeeft

waarin de lorentzkracht werkt

Hiernaast is een luidspreker weergegeven (plaatje niet aanwezig). Deze luidspreker is opgebouwd uit een trechtervormige conus, een spoeltje en een permanente magneet. Het spoeltje bevindt zich om de noordpool van de magneet. De hele ringvormige rand vormt de zuidpool. De conus zit vast aan het spoeltje; beide zijn vrij beweegbaar. Indien er nu een stroom door het spoeltje loopt , gaat er een kracht op het spoeltje werken. De lorentzkracht. Doordat de stroom een wisselstroom is en dus steeds van richting verandert, verandert dus ook steeds de lorentzkracht van richting. De kracht zal naar links bewegen bij een positieve stroom en naar rechts bewegen bij een negatieve stroom. Door het continu heen- en weerbewegingen van de conus, worden luchtverschuivingen opgewekt. Deze trillingen veroorzaken geluid. Indien we de geluidssterkte willen laten toenemen, zullen we de wisselstroom moeten vergroten. Er werkt dan een grotere lorentzkracht en de frequentie van de trilling blijft gelijk.

VERGELIJKEN

Om stroomsterkten bij bepaalde geluidssterkten en frequenties te kunnen vergelijken is het van essentieel belang dat of de geluidssterkte of de frequentie van een bepaalde toon constant gehouden wordt, anders kunnen we absoluut geen objectieve vergelijking meer maken tussen de gevonden stroomsterkten. Frequenties kunnen we als energie-soorten beschouwen. Zo zullen erbij een toon van bijvoorbeeld 15.000 Hz. een andere hoeveelheid energiepakketjes en een andere soort nodig zijn als bij een toon van 500 Hz. om te voldoen aan 80 dB..

Maar let op: Frequentie bepaalt de soort energiepakketjes en de geluidssterkte bepaalt de hoeveelheid energiepakketjes.

STROOMSTERKTEN METEN

We hebben met deze proef te maken met wisselstroom. Bij zeer lage frequenties zijn de trillingstijden heel erg groot. Indien we hierbij de stroom zullen meten, zal onze meter heen en weer bewegen. Niet alle frequenties zullen even geschikt zijn om de proeven mee uit te voeren. We zijn gebonden aan een bepaald domein van frequenties. Bij hogere frequenties hebben we te maken met kleinere trillingstijden. Deze zullen zelfs zo klein worden dat we niet meer de topwaarden van wisselstroom zullen meten, maar een zogenaamde effectieve waarde. Dit heeft geenzins invloed op het vergelijken van onze waarden, omdat we te maken hebben met verhoudingen. We kunnen met behulp van de gemeten effectieve waarde de topwaarde vinden door simpelweg met een half wortel twee te delen. De theorie die hierachter schuilt is erg ingewikkeld en verdient eigenlijk geen verdere aandacht. We nemen kunnen gewoon aannemen dat geldt:

effectieve stroomsterkte = ½ • • topwaarde stroomsterkte

Verder kunnen we nog wat over stroomsterkte vertellen. De stroomsterkte zal het geluidsniveau bepalen. De frequentie van de stroomsterkte zal de toonhoogte bepalen. Verder moeten we weten dat we stroomsterkte meten in Ampères. En dat 1 Ampère gelijk is aan 1 Coulomb per seconde.

Coulomb is de eenheid die bij lading hoort.

Met die Coulomb per seconde kunnen we meer doen. Toonhoogtes zijn namelijk het aantal trillingen per seconde. We kunnen nu gaan vergelijken hoeveel Coulomb je bij een bepaalde frequentie nodig hebt om een bepaald geluidsniveau te bereiken. We meten stroomsterkten bij verschillende frequenties, maar bij een constant geluidsniveau. Zo kunnen we bepalen hoeveel Coulomb er bij een trilling nodig is om een bepaald aantal decibels te krijgen.

Een getallenvoorbeeld :

Frequentie van 500 Hz. geluidsniveau 80 dB. stroomsterkte 1 A.

Deze toon bestaat uit 500 trillingen per seconde. Om een geluidsniveau te bereiken van 80 dB. is een stroomsterkte van 1 A. nodig.

Voor 1 trilling van 80 dB. (toonhoogte 500 Hz.) geldt dan:

1 A. à 1 Coulomb per seconde

1 trilling à 1 Coulomb -3

= 2 • 10 Coulomb per trilling

500 trillingen van frequentie 500 Hz. bij 80dB.

We kunnen dit ook doen bij een frequentie van bv. 1200 Hz..

Verder kunnen we hiermee ook uitrekenen hoeveel extra Coulomb er nodig is om een vaste toonhoogte een paar dB. omhoog te krijgen.

Deze waarden zullen verschillen bij verschillende frequenties. Op deze manier kunnen we weer heel veel gegevens met elkaar vergelijken en veel meer te weten komen over geluid. Om dit alles uit te werken is geen extra proef nodig. We kunnen dit gewoon uitwerken met behulp van verkregen gegevens uit de 3 deelproeven. Dit alles zal terug te vinden zijn in de paragraaf "Extra Gegevensuitwerking".

AAN DE SLAG....

We bezitten nu genoeg voorkennis om de proeven goed uit te voeren en volledig te kunnen begrijpen. Als laatste willen we er nog één ding aan toevoegen.

We zullen gebruik gaan maken van een 1-weg luidspreker. Dat houdt in dat onze luidspreker is opgebouwd uit slechts 1 conus. In pure theorie zijn dit de beste luidsprekers. Simpelweg, omdat er geen faseverschil ontstaat.

§ 4 INLEIDING WERKPLAN

Het onderzoeken van het verband dat er bestaat tussen geluid en stroomsterkte hebben we verdeeld in drie deelproeven:

1. Het verband bepalen tussen stroomsterkte en geluidssterkte bij constant gehouden frequenties (500 Hz., 1000 Hz. en 1500 Hz.)
2. Het verband bepalen tussen stroomsterkte en frequenties bij een constant gehouden geluidssterkte.
3. In hoeverre verandert de geluidssterkte bij een constant gehouden frequentie door het variëren van de weerstanden van de draden.

Voor onderzoek hebben we de volgende apparatuur nodig:

§ 5.1 WERKPLAN DEELPROEF 1

Om het verband bepalen tussen stroomsterkten en frequenties bij een constant gehouden frequentie hebben we de volgende apparatuur nodig:

- stroomdraden
- digitale toongenerator
- luidspreker
- 2 voltmeters
- ampèremeter
- decibelmeter

Deze apparatuur sluiten we op de hieronderstaande manier op elkaar aan en gaan we als volgt te werk:

1. Stel de toongenerator in op 500 Hz.
2. Lees de stroomsterkte af op de ampèremeter
3. Lees de spanning over de luidspreker af op de voltmeter
4. Lees de spanning over de ampèremeter af op de andere voltmeter
5. Lees de geluidssterkte af op de decibelmeter op een vaste afstand van de luidspreker
6. Varieer nu de geluidssterkte met behulp van de volumeknop op de toongenerator
7. Herhaal het werkplan vanaf stap 2 met een frequentie van 1000 Hz. En daarna 1500 Hz.

§ 5.2 ONDERZOEKSBEVINDINGEN DEELPROEF 1

Frequentie van 500 Hz.

Frequentie van 1000 Hz.

Frequentie van 1500 Hz.

Let op: al deze grafieken verkregen bij frequentie van 500 Hz.

Let op: al deze grafieken verkregen bij frequentie van 1000 Hz.

Let op: al deze grafieken verkregen bij frequentie van 1500 Hz.

§ 5.3 CONCLUSIE DEELPROEF 1

Allereerst trekken we een conclusie op basis van de eerste grafieken (geluidsniveau, stroomsterkten). We zien dat:

De verschillende frequenties een bepaalde topwaarde kwa stroomsterkte bereiken. Naarmate deze topwaarde is bereikt, zal bij een nog verdere verhoging van het geluidsniveau de stroomsterkte dalen.

Topwaarden: 500,0 Hz. à 66 dB. à 247 µA

1000 Hz. à 70 dB. à 232 µA

1500 Hz. à 72 dB. à 250 µA

We zien hierbij tevens dat bij een hogere frequentie er sprake is van een hogere topwaarde.

Indien we naar de stroomsterkten kijken tot aan de topwaarde, zien we dat naarmate we de frequentie verhogen de stroomsterkte daalt om een gelijk geluidsniveau voort te brengen. Blijkbaar kost het minder energie om een hogere frequentie te laten voldoen aan een bepaald geluidsniveau.

Naarmate de frequentie toeneemt daalt de spanning over de luidspreker. Dit geldt tevens voor de spanning over de ampèremeter.

Ondanks de daling van de stroomsterkte na het bereiken van de topwaarden blijven de spanningen over de luidspreker en de ampèremeter toenemen naarmate we het geluidsniveau verhogen. Met behulp van de formule:

V = I • R

I (stroomsterkte) daalt, V (spanning) stijgt, dus moet R (weerstand) procentueel meer stijgen dan I daalt.

§ 6.1 WERKPLAN DEELPROEF 2

Alle gegevens die we nodig hebben om het verband te bepalen tussen stroomsterkten en frequenties bij een constant gehouden geluidssterkte halen we uit de voorafgaande tabellen. We kunnen dus gewoon de tabellen naast elkaar gaan leggen zonder verdere proeven uit te voeren. Bij het opzoeken van de gegevens die je nodig hebt, ga je als volgt te werk:

Leg de tabellen van 500 Hz., 1000 Hz. en 1500 Hz. naast elkaar

Kijk welke geluidsniveaus in alle drie de tabellen voorkomen, voorbeeld:

Doe hetzelfde bij de andere overeenkomstige geluidsniveaus

Vergelijk de stroomsterkte

§ 6.2 ONDERZOEKSBEVINDINGEN DEELPROEF 2

In deze tabel hebben we op overzichtelijke wijze de tonen met dezelfde geluidssterkten gerangschikt.

Hieruit volgen de grafieken op de volgende pagina.

§ 6.3 CONCLUSIE DEELPROEF 2

Allereerst trekken we een conclusie op basis van de tweede en derde grafiek respectievelijk spanning over de luidspreker uitgezet tegen het geluidsniveau en de spanning over de ampèremeter uitgezet tegen het geluidsniveau. We zien dat:

Het spanningsverschil tussen de frequenties van 1000 Hz. en 1500 Hz. blijft redelijk constant naarmate we het geluidsniveau laten toenemen. Dit geldt echter niet indien we dezelfde spanning gaan vergelijken bij een frequentie van 500 Hz.. Deze spanning neemt procentueel veel meer toe dan bij de andere frequenties.

Conclusie met betrekking tot de eerste grafiek (stroomsterkte uitgezet tegen het geluidsniveau):

Hier hebben we weer te maken met de zogenaamde topwaarden van de stroomsterkten bij een bepaalde frequenties (zie deelproef 1). Bij een lagere frequentie wordt de topwaarde eerder bereikt dan hogere frequentie, indien we letten op het geluidsniveau.

Stel dat 500 Hz. zijn topwaarde het eerste bereikt. Hij zal dan na een verhoging van het geluidsniveau een daling van de stroomsterkte vertonen. Een frequentie van 1000 Hz. zal nog steeds een toename van de stroomsterkte hebben bij de topwaarde van 500 Hz., omdat hij zijn topwaarde verder heeft liggen. De ene lijn heeft dus een dalend verloop, terwijl de andere nog stijgt. Of deze lijnen elkaar een keer zullen snijden, kunnen we niet concluderen op basis van onze meetgegevens, omdat we slechts een beperkt domein aan geluidsniveau kunnen onderzoeken bij de 3 verschillende frequenties.

Dit laatste punt zal verder uitgewerkt worden in de discussie.

§ 7.1 WERKPLAN DEELPROEF 3

Om te bepalen in hoeverre het geluidsniveau verandert bij een constant gehouden frequentie door het variëren van de weerstanden van de draden hebben we de volgende apparatuur nodig:

- stroomdraden
- digitale toongenerator
- luidspreker
- decibelmeter
-4 variabele weerstanden met ieder een maximum van 30 Ohms
-oscilloscoop
-microfoon

Deze apparatuur sluiten we op de hieronderstaande manier op elkaar aan en gaan we als volgt te werk:

1. Stel de toongenerator in op 500 Hz.
2. Draai de volumeknop op de toongenerator net zo lang open, totdat de amplitudo op het beeldscherm van de oscilloscoop overeenkomt met 4 hokjes boven de evenwichtsstand en 4 hokjes eronder.
3. Verschuif de weerstanden net zo lang totdat de amplitudo op het beeldscherm van de oscilloscoop een half hokje ten opzichte van de evenwichtsstand kleiner is.
4. Meet de verschuiving van de weerstand in centimeters. Reken uit hoeveelste deel je verschuift ten op zichte van de totale verschuivingsmogelijkhied en bereken met behulp van verhoudingen de weerstand. Omdat weerstanden in serie staan à Ohms optellen
5. Zie stap 3, alleen nu met het resultaat: 3, 2½, 2, 1½ en 1 hokje(s)

§ 7.2 ONDERZOEKSBEVINDINGEN DEELPROEF 3

Deze tabel is verkregen bij een frequentie van 500 Hz., het beschrijft het verlies van het geluidsniveau bij weerstanden:

Bij een amplitudo van 4 hokjes op het beeldscherm van de oscilloscoop bepalen we het geluidsniveau met behulp van de decibelmeter. In dit geval 108,0 dB.

Bij 2 hokjes is er dan sprake van 105,0 dB. à Bij halvering van het aantal hokjes trekken we 3,0 dB. van het geluidsniveau af. Er geldt dus bij 1 hokje 105 – 3,00 = 102 dB.

De tussenliggende waarden kunnen we bij benadering bepalen met behulp van de richtingscoëfficiënten (rc.) tussen hokjes 1 en 2 en tussen hokjes 2 en 4.

Tussen hokje 1 en 2 geldt +3,00 dB. à rc. 3 dB./hokje.

Tussen de hokjes 2 en 4 geldt ook +3,00 dB. à maar hier is rc: 1,50 dB./hokje

Bij de tabellen van 1000 Hz. en 1500 Hz. is dit op dezelfde manier gedaan.

Deze tabel is verkregen bij een frequentie van 1000 Hz.

Deze tabel is verkregen bij een frequentie van 1500 Hz.

De onderstaande grafieken volgen uit de tabellen op de vorige pagina. Deze grafieken moeten we met de hand tekenen, omdat onze computerprogramma’s ongeschikt zijn voor twee variabelen en dan voornamelijk de x-as.

MET DE HAND TEKENEN!!

§ 7.3 CONCLUSIE DEELPROEF 3

Conclusie op basis van de grafieken:

We moeten de grafieken lezen van rechts naar links. De grafieken vertonen in het begin een rechte lijn. Daarna stijgen de 3 grafieken explosief. Daarvoor hebben we de volgende verklaring:

Korte herhaling:

Bij een amplitudo van 4 hokjes op het beeldscherm van de oscilloscoop bepalen we het geluidsniveau met behulp van de decibelmeter. In dit geval 108,0 dB.

Bij 2 hokjes is er dan sprake van 105,0 dB. à Bij halvering van het aantal hokjes trekken we 3,0 dB. van het geluidsniveau af. Er geldt dus bij 1 hokje 105 – 3,00 = 102 dB.

De tussenliggende waarden kunnen we bij benadering bepalen met behulp van de richtingscoëfficiënten (rc.) tussen hokjes 1 en 2 en tussen hokjes 2 en 4.

Tussen hokje 1 en 2 geldt +3,00 dB. à rc. 3 dB./hokje.

Tussen de hokjes 2 en 4 geldt ook +3,00 dB. à maar hier is rc: 1,50 dB./hokje

Maar bij een volledig rechte lijn, waarvoor geldt amplitudo = 0, zal het geluidsniveau gelijk zijn aan 0 dB. à 0 hokjes.

De rc tussen hokje 0 en hokje 1 is echter niet gelijk aan 3 dB., maar aan de eindwaarde van het geluidsniveau bij hokje 1. Dit is respectievelijk bij 500 Hz., 1000 Hz. en 1500 Hz. 102,0 dB.; 113,0 dB. en 105,0 dB.. Deze getallen staan totaal niet in verhouding met de rc’s tussen de hokjes 1 en 2 en de hokjes 2 en 4, vandaar dat de grafieken EXPLOSIEF toenemen.

We kunnen concluderen dat bij een verhoging van dezelfde weerstand bij een bepaalde frequentie het geluidsniveau constant afneemt. We moeten hierbij letten op de richtingscoëfficiënten (rc.) van de grafieken. Deze rc’s bepalen we door te letten op het geluidsniveau en de weerstand van 4,0 tot 1,5 hokjes op het beeldscherm van de oscilloscoop (zie de kolommen "Hokjes (ampl) op oscilloscoop" bij tabellen § 7.2). We zien dat:

Eerste grafiek (500 Hz.) 108,0 dB. 0,00 Ohm

103,5 dB. 22,5 Ohms

Er geldt dus: 5,0 Ohms weerstand bieden om het geluidsniveau van de frequentie van 500 Hz. 1 dB. te laten dalen.

Tweede grafiek (1000 Hz.) 119,0 dB. 0,00 Ohm

114,5 dB. 30,0 Ohms

Er geldt hier dus: 6,7 Ohms per 1 dB. bij 1000 Hz..

Derde grafiek (1500 Hz.) 111,0 dB. 0,00 Ohm

106,5 dB. 30,0 Ohms

Er geldt hier dus: 6,7 Ohms per 1 dB. bij 1500 Hz..

Er geldt: hoe hoger de frequentie des te hoger de weerstand moet zijn om 1 dB. te dalen.

§ 8 TOTALE CONCLUSIE

Om het overzicht te bewaren volgt nu een samenvatting van de 3 deelconclusies.

Uit deelproef 1:

De verschillende frequenties een bepaalde topwaarde kwa stroomsterkte bereiken. Naarmate deze topwaarde is bereikt, zal bij een nog verdere verhoging van het geluidsniveau de stroomsterkte dalen.

We zien hierbij tevens dat bij een hogere frequentie er sprake is van een hogere topwaarde.

Indien we naar de stroomsterkten kijken tot aan de topwaarde, zien we dat naarmate we de frequentie verhogen de stroomsterkte daalt om een gelijk geluidsniveau voort te brengen. Blijkbaar kost het minder energie om een hogere frequentie te laten voldoen aan een bepaald geluidsniveau.

Naarmate de frequentie toeneemt daalt de spanning over de luidspreker. Dit geldt tevens voor de spanning over de ampèremeter.

Ondanks de daling van de stroomsterkte na het bereiken van de topwaarden blijven de spanningen over de luidspreker en de ampèremeter toenemen naarmate we het geluidsniveau verhogen.

Uit deelproef 2:

Het spanningsverschil tussen de frequenties van 1000 Hz. en 1500 Hz. blijft redelijk constant naarmate we het geluidsniveau laten toenemen. Dit geldt echter niet indien we dezelfde spanning gaan vergelijken bij een frequentie van 500 Hz.. Deze spanning neemt procentueel veel meer toe dan bij de andere frequenties.

Hier hebben we weer te maken met de zogenaamde topwaarden van de stroomsterkten bij een bepaalde frequenties (zie deelproef 1). Bij een lagere frequentie wordt de topwaarde eerder bereikt dan hogere frequentie, indien we letten op het geluidsniveau.

Uit deelproef 3:

We kunnen concluderen dat bij een verhoging van dezelfde weerstand bij een bepaalde frequentie het geluidsniveau constant afneemt.

Er geldt: hoe hoger de frequentie des te hoger de weerstand moet zijn om 1 dB. te dalen.

§ 9.1 EXTRA GEGEVENSUITWERKING

Als we de hoeveelheid lading willen weten bij een bepaalde frequentie en een bepaald geluidsniveau voor één trilling, moeten we allereerst onze gevonden waarden voor de stroomsterkte (effectieve stroomsterkte) omrekenen naar topwaarden stroomsterkte.

Gebruik hierbij de formule: effectief = ½ • 2 • topwaarde

We vergelijken de frequenties tot aan hun gevonden topwaarden van de stroomsterkten.

De topwaarden staan in ampères en zijn gelijk aan Coulombs per seconde (C/s).

De vijfde kolom van de tabellen beschrijft nu de lading bij één trilling in C/trilling. Hiervoor delen we de gevonden topwaarden (kolom 3) door de frequentie van de trilling (kolom 1).

Tabel:

Tabel:

Tabel:

§ 9.2 EXTRA CONCLUSIE

We zien nu dat de lading per trilling gelijk is bij de volgende situaties:

Schema 1: 500,0 Hz. 50 dB. 0,119 µC/T

1000 Hz. 60 dB. 0,120 µC/T

1500 Hz. 64 dB. 0,121 µC/T

Schema 2: 500,0 Hz. 52 dB. 0,144 µC/T

1000 Hz. 62 dB. 0,148 µC/T

1500 Hz. 66 dB. 0,148 µC/T

Zeer opmerkelijk is hier dat we twee keer exact dezelfde tabelopbouw zien. Namelijk:

Blijkbaar kost het evenveel energie voor één trilling van 500 Hz. bij 50 dB. en 1000 Hz. bij 60 dB. Schema twee is daar nogeens een bewijs van.

Van 1000 Hz. naar 1500 Hz. is de hoeveelheid lading bij een stijging van het geluidsniveau met 4 dB. even groot. Ook dit wordt weer bewezen in schema twee.

Dat het evenveel energie kost voor één trilling wil echter niet zeggen dat we met dezelfde stroomsterkte te maken hebben. Een toon van 1500 Hz. trilt veel meer in één seconde dan een toon van 500 Hz.. Aangezien we hier uitgaan van Coulombs per trilling en de ampère in Coulombs per seconde is, is er sprake van verschillende stroomsterkten.

§ 10 DISCUSSIE

Het is bijna onmogelijk om een proef uit te voeren zonder dat de apparatuur onnauwkeurig-heden veroorzaken. De volgende problemen doen zich voor bij het uitvoeren van deze proef:

Omdat we te maken hebben met zulke kleine stroomsterkten (micro-ampères) hebben we al snel te maken met een ampèremeter die niet ideaal is. Aangezien een ampèremeter werkt met weerstanden is het zeer moeilijk om kleine stroompjes door het apparaat heen te sturen zonder verlies aan stroomsterkte. Dit is dan ook de reden, anders dan onze onderzoeksvraag vermeldt, dat wij de spanning over de ampèremeter erbij hebben gehaald.

Bij totale stilte is er sprake van een geluidsniveau van 0,0 dB.. Deze situatie is voor ons echter onmogelijk na te bootsen. Wij als onderzoekers hebben ongeveer te maken met een achtergrondgeluid dat gelijk is aan het geluidsniveau van ongeveer 30 dB..

Om geluid zo goed mogelijk te onderzoeken, moet je zo veel mogelijk verschillende frequenties onderzoeken. Men moet zich wel realiseren dat bij een lage frequentie de stroomsterkte moeilijk te meten is, omdat de trillingstijd heel groot is. Bij een grote frequentie zul je een effectieve stroomsterkte meten. Je kun je dus slechts permitteren tot het meten van een bepaald domein aan frequenties.

Ook het volume op de toongenerator is beperkt te regelen. Zo is het dus moeilijk om verschillende frequenties met elkaar te vergelijken als niet altijd hetzelfde geluidsniveau bereikt kan worden. Het gaat hier om de grote waarden van het geluidsniveau.

De weerstanden van de draden zijn niet constant. Daarom is het van essentieel belang bij het uitvoeren van deze proef de draden steeds op dezelfde manier aan te sluiten.

Bij deelproef 3 zijn we uitgegaan van een weerstand die gelijk is aan 0,0 Ohm toen de vier variabele weerstanden op hun minimum ingeschakeld stonden. Dit is echter onjuist, want in iedere gesloten stroomkring is wel een inwendige, dan wel een uitwendige weerstand aanwezig.

We hebben te maken met een onnauwkeurige decibelmeter. De decibelmeter heeft namelijk een HI- en een LOW-stand. De LOW-stand begint te meten bij een geluidsniveau van 40 dB. en heeft een maximum van 80 dB.. Als je een geluidsniveau van meer dan 80 dB. wilt meten, moet je overschakelen naar het HI-stand. Dit kan onnauwkeurigheden in de meetresultaten veroorzaken. Tevens is de schaalverdeling anders bij de verschillende standen. Hierdoor wordt moeilijker om nauwkeurig aflezen.

En als laatst misschien wel HET MEEST BELANGRIJKE DISCUSSIEPUNT: Alle waarden die wij gevonden hebben zijn specifiek voor deze luidspreker. Ook de oppervlakte van de conus heeft wel degelijk invloed op het geluidsniveau. Zo heeft een kleinere conus een versterker met een groter vermogen nodig dan een grotere conus bij een constant geluidsniveau. Ook inpendance van een luidspreker heeft invloed op de hele proef. We hechten ook geen waarde aan getallen, maar aan verhoudingen.

VERBETERDE PROEFOPSTELLING

Met de volgende punten kunnen we onze proef verbeteren:

1. Werken met een ideale ampèremeter (geen weerstand).
2. Werken in een geluidsarme omgeving.
3. Werken met draden met een constante weerstand.
4. Werken met een groter bereik van de volumeknop op de toongenerator.
5. Werken met een meer nauwkeurige decibelmeter.
6. Om een beter beeld te krijgen van de eigenschappen van geluid en stroom is het aan te bevelen om te werken met verschillende luidsprekers en versterkers.

TOEPASSING IN DE PRAKTIJK

Met deze proef hebben we een beter beeld gekregen over hoe we bijvoorbeeld het geluid kunnen beïnvloeden door weerstanden. Indien een luidspreker bijvoorbeeld te veel lage tonen voortbrengt en dus niet helder klinkt, kun je de weerstand van de draden naar de luidspreker toe verlagen. Indien de luidspreker te schel klinkt, kun je de weerstand verhogen.

Voor vragen en/of toelichting op dit verslag gewoon even mailen! Wil je je eigen scriptie ook op deze pagina terugzien, stuur het dan naar bovenstaand emailadres (icoontje).