Визуализация звуковых волн

Городская научно-практическая конференция «Молодежь и наука»

Министерство образования Российской Федерации Муниципальное общеобразовательное учреждение гимназии № 10

Проектно-исследовательская работа

Тема: Визуализация звуковых волн

Выполнила: Лопшакова Дарья

ученица 10 Б класса

гимназии № 10, г. Дивногорска

Руководитель: Гусева Людмила Борисовна

учитель физики гимназии № 10, г. Дивногорска

Дивногорск 2015 г.

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Теоретическая часть
• Глава 2. Практическая часть
• Заключение
• Список источников информации

Введение

Однажды, в одной из социальных сетей я увидела интересный видеоролик, на котором было показано, как с помощью разных звуков из песка на пластине образуются очень красивые и интересные фигуры. В результате просмотра меня заинтересовал этот вопрос и, конечно же, захотелось повторить это и увидеть своими глазами эти фигуры, названные в честь первооткрывателя Эрнеста Хладни. А можно ли визуализировать звуковые волны, не используя метод Хладни.

Так возникла проблема исследования: Как визуализировать звук. Можно ли с помощью подручных средств воспроизвести фигуры Хладни, и как эти средства использовать для того, чтобы изучить звук.

Актуальность: живя в мире, наполненном различными звуками, мы редко задумываемся, что же такое – звук, и какое влияние он оказывает на нас. А ведь самого по себе звука, как мы привыкли его слышать, вовсе не существует. В окружающем нас пространстве беззвучно перемещаются немые волны различной частоты. Природой человеку дан слуховой аппарат. Звук человек слышит, а звуковые волны он не может увидеть.

При вибрации тонкой пластины её поверхность не остаётся плоской – на ней образуются впадины и выпуклости. В зависимости от частоты вибрации рисунок распределения высот по поверхности пластины изменяется от самого простого – до очень сложного. Эти распределения называются модами колебаний пластины. Их рисунок на поверхности впервые был получен в 1707г немецким физиком Эрнестом Хладни. Чтобы их увидеть, достаточно на поверхность насыпать мелкий, но не липкий порошок, например, сухую сахарную пудру, сахарный песок, манную крупу и т.п.

В 1818 г. Хладни в одном из писем сообщал об остроумном применении его звуковых фигур одним строителем в Кобленце: для совмещения отверстий в каменной плите лестницы перед сверлением ее снизу строитель посыпал плиту песком, который при сверлении немного разрежался, точно указывая место для встречного сверления сверху. Проведенное исследование позволит расширить знания человека об окружающем его мире.

Так же, проведя эксперименты, можно узнать о практическом применении метода «фигуры Хладни» при сепарации наночастиц и увидеть это на практике, когда мелкие песчинки поднимались вверх, а более крупные опускались вниз.

В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований. Особое место в этом ряду занимают магнитные характеристики наночастиц; здесь наиболее отчётливо выявлены различия (иногда очень существенные) между компактными магнитными материалами и соответствующими наночастицами и создана теоретическая база, способная объяснить многие из наблюдаемых эффектов.

Визуализировать звук можно и при помощи подручных материалов, например, как резиновая лента, колонка, которая всегда стоит на вашем столе. Для этого следует провести эксперименты и посмотреть изменение звуковой волны.

Цель исследования: визуализация звуковых волн с помощью подручных материалов и методик получения фигур Хладни.

Задачи исследования:

1. Получить фигуры Хладни

2. Выяснить зависимость между изображением и некоторыми характеристиками звуковых волн.

3. Исследовать, есть ли зависимость вида волн от частоты вибрации.

Гипотеза исследования: связана с предположением о том, что с помощью металлической пластины и мелких частиц различного вида можно воспроизвести фигуры Хладни, с помощью подручных средств, находящиеся в кабинете физики, ярко увидеть изменение звуковых волн. Методы исследования:

1. теоретический метод

2. экспериментальный метод

3. анализ

Глава 1. Теоретическая часть

Таблица 1. Физические величины, характеризующие звуковые волны

Таблица 2. Характеристики звуковых волн

Таблица 3. Обобщая характеристики

Таблица 4. Интенсивности различных природных и техногенных звуков

Стоячие волны – колебания в резонаторе (струне, мембране, камертоне и т.п.), характеризующиеся чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Возникают в результате интерференции двух бегущих волн, амплитуда которых одинакова, а направления распространения взаимно противоположны.

Упругие волны – механические возмущения (деформации), распространяющиеся в среде, обладающей упругостью. В жидкостях и газах могут образовываться только продольные у.в., при которых среда испытывает только деформацию сжатия (растяжения) и частицы среды колеблются вдоль направления распространения волены. В твердых телах возникают как продольные, так и поперечные у.в. При поперечных у.в. среда испытывает деформацию сдвига, и частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Пучность – это точки, в которых колебания происходят с максимальной амплитудой.

Узлы стоячей волны – это положение неподвижный точек стоячей волны, в которых амплитуда колебаний равна нулю.

Глава 2. Практическая часть

звуковой волна микрофон

Прежде, чем провести эксперименты, для лучшего понимания свойств звуковой волны, считаю необходимым ответить на следующие вопросы:

· Почему гудят высоковольтные провода?

Это гудит воздух вокруг них. Вблизи поверхности высоковольтного провода создается сильное электрическое поле. Присутствующие в воздухе свободные электроны, разогнавшись в этом поле, выбивают из окружающих молекул новые электроны, а те — следующие. Эта лавина электронов называется коронным разрядом. Он вспыхивает и гаснет вокруг провода с переменным током 100 раз в секунду — с частотой нарастания и спада напряжения в силовой сети. При каждом таком разряде воздух нагревается и расширяется. Периодическое расширение и сжатие воздуха порождает гудение. А еще любые провода могут просто гудеть на ветру, но в этом случае высота звука зависит от скорости ветра и диаметра проводов.

· От чего зависит громкость звука?

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Примеры уровня громкости различных звуков:

Шелест листьев – 10 Дб

Пылесос – 50 Дб

Громкий разговор – 70 Дб

Звонок будильника – 80 Дб

Рок-концерт – 120 Дб

Реактивный самолет – 130 Дб

· Почему, с точки зрения скрытого контроля звука, применение направленных микрофонов затруднено?

Раньше направленный микрофон делался следующим образом: на обычный высокочувствительный микрофон надевалась труба (рупор), которая выполняла роль коллиматора. Эта труба направлялась на источник звука и отсекала звуки, приходящие с других направлений. Естественно, таким микрофоном трудно пользоваться скрытно.

Современные направленные микрофоны работают по принципу фазированных решеток – звук фиксируется большим количеством микрофонов, и записывается с помощью АЦП в компьютер. Т.к. каждый из микрофонов находится от исследуемого источника на разных расстояниях, то возникают временные задержки в записываемых сигналах. Для каждого из записанных сигналов делается разложение в спектр по частоте. Для того, чтобы избавиться от посторонних звуков, в каждом из спектров оставляют только ту часть сигнала, которая фазово согласованна с исследуемым источником звука. Осталось только синтезировать сигнал. С помощью обычного компьютера и 24-разрядной АЦП можно в реальном времени осуществлять высоконаправленную запись звука с разрешением по амплитуде в 120 дБ. Трудности скрытой записи состоят в том, что направленные микрофоны ловят звук, приходящий из определенной точки: вам следует точно знать, где находится голова исследуемого субъекта – стоит ему сдвинуться, как звук пропадает.

Опыты:

· Стоячая волна в вазе с водой.

Цель: Получить стоячую волну с помощью трения.

Оборудование: глубокая ваза с водой.

Хор работы:

1) Намочить руки в воде

2) Совершить трение мокрыми руками об ручки кастрюли

3) Совершать трения до образования стоячей волны

4) Изменяя силу трения мокрыми руками, сравнить разницу между полученными волнами

Вывод: Колебания вазы, передаются воде, тем самым вода начинает тоже колебаться. Чем сильнее возбуждается колебание в вазе, тем интенсивнее становятся колебания воды, и вода сильнее начинает выплескиваться из вазы. Сила трения как бы срывается и издает щелчок, благодаря этому издается скрип, и возникают колебания.

· Волны в натянутой струне.

Цель: показать бегущую и стоячую волны.

Оборудование: резиновую ленту 20 см.

Ход работы:

1. Один конец резиновой ленты привязать – другой взять в руку.

2. При помощи колебаний получить звук и волну.

3. Изменять длину ленты, и определить, как изменяется звук и длина волны.

Таблица 5

Вывод:

Из эксперимента можно сказать, что изменяя длину резиновой ленты, меняется звук: при уменьшении длины звук становится тихим и тоном низким, а при увеличении – повышается. Так же можно сказать, что амплитуда колебаний зависит от того, с какой сильной мы действовали на ленту.

· Фигуры Хладни.

Цель: получить стоячую волну, тем самым и сами фигуры Хладни.

Оборудование: металлическая пластина, закрепленный в центре, сыпучий материал (песок, соль, марганец, манка), смычок.

Ход работы:

1) Равномерно насыпать на металлическую пластину сыпучий материал

2) Смычком провести по краю пластины, посмотреть, что получилось

3) Теперь придерживая другой край рукой, а по-другому краю провести смычком

4) Изменить скорость смычка, провести его быстрее, и посмотреть, как изменится фигура

5) Объяснить изменение фигур

Вывод:

Где пластина колебалась с большей амплитудой, там оставалось свободное пространство, а где с меньшей, там собирался сыпучий материал. Изменяя тон, изменяется и распределение волны.

· Стоячие волны в упругой среде.

Цель: получить стоячую волну в упругой среде, изменяя частоту.

Оборудование: Пружина, моторчик.

Ход работы:

1) Один конец пружины закрепить сверху, а на другой конец повесить моторчик.

2) Увеличивая частоту колебаний, посмотреть, как изменяется стоячая волна.

Вывод: Увеличивая частоту колебаний, длина волны уменьшается, образуя больше пучностей и стоячих узлов

Заключение

Наш мир полон множеством ярких и красивых явлений, которые могут оставаться незамеченными человеком. Люди живут в мире звуков. Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах. Волны, которые вызывают ощущение звука, называют звуковыми волнами.

Исходя их исследования, можно сделать вывод, что визуализация звуковых волн является одним из красивейших зрелищ, которую можно увидеть своими глазами при помощи многих экспериментов.

На основе изучения и методов проведены опыты, позволившие визуализировать звуковые волны при помощи простых материалов и методы получения фигур Хладни. Выяснены зависимости между характеристиками звуковых волн. Так же исследование помогло понять, что изменение волн зависят от частоты вибрации, как и от амплитуды колебания.

Сейчас идет разработка различных нанотехнологий разными исследователями. Но, не смотря на большое количество получения нанотехнологий, звук является универсальный инструмент для них.

Список источников информации

1. Звуковые фигуры Хладни.

2. Хладни Эрнст Флоренс Фридрих — Биография.

3. Беспокойный гений Эрнста Хладни.

4. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика.- К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.

5. Клюкин И. И. Удивительный мир звука.- Л.: Судостроение, 1978. – 166 с.

6. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.

7. Исакович М. А.Общая акустика. – М.: Наука, 1973. – 495 с.

8. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: Наука, 1995. – 343 с.