Форум юношеских талантов
ХIХ Всероссийская научная конференция молодых исследователей «Шаг в будущее»
Секция: Физика и инженерные технологии
Название работы: «Исследование биения звука».
Автор: Джафаров Яков Шахриярович г. Москва
ГБОУ СОШ №351, 9 «А» класс
Научный руководитель: учитель физики
Кучербаева Ольга Геннадиевна
Москва, 2012 г.
Джафаров Яков 9 класс «А» ГБОУ СОШ № 351
ВОУО ДО г. Москвы
Научный руководитель: Кучербаева О.Г.
«Исследование биения звука».
Аннотация.
Актуальность темы: Выбранная мною тема актуальна для изучения. Изучая звуковые волны на слух, практически невозможно получить объективные результаты исследования, так как слух индивидуален и зависит от особенностей человека. Для чего нам нужно «видеть» звук? Что, собственно говоря, мы выигрываем, получая зарисовку явления, которое обычно мы воспринимаем на слух? Наверное, все дело в том, что люди издавна привыкли верить лишь тому, что видят,- вся история науки говорит нам о стремлении изображать результаты наблюдений и измерений в виде графиков и таблиц.
В своей работе при помощи цифровой лаборатории «Архимед» я хотел бы глубже проникнуть в природу звука, исследовать его характеристики.
Область исследования – акустика
Предмет исследования – звуковые волны
Цели: исследовать биения звука с помощью цифровой лаборатории «Архимед»
Задачи данной работы:
Изучение основных терминов и определений, связанных с звуковыми волнами.
Провести лабораторную работу по исследованию биения звука.
Методы исследования: сбор информации, анализ, обобщение, изучение теоретического материала, проведение лабораторной работы.
В теоретической части работы рассматриваются основные теоретические сведения из области звуковых волн.
В исследовательской части приведены результаты лабораторной работы.
Заключение:
Работа может быть использована при изучении звуковых волн в классах профильного изучения физики.
Оглавление:
1.Введение
2.1.Теоретическая часть
§1 Понятие механической волны
§2 Основные характеристики волны
§3 Продольные и поперечные волны
§4 Звуковые волны и их свойства
2.2. Журнал исследования
3.Заключение
4.Список использованной литературы
Введение
Выбранная мною тема актуальна для изучения. Изучая звуковые волны на слух, практически невозможно получить объективные результаты исследования, так как слух индивидуален и зависит от особенностей человека. Для чего нам нужно «видеть» звук? Что, собственно говоря, мы выигрываем, получая зарисовку явления, которое обычно мы воспринимаем на слух? Наверное, все дело в том, что люди издавна привыкли верить лишь тому, что видят,- вся история науки говорит нам о стремлении изображать результаты наблюдений и измерений в виде графиков и таблиц.
В своей работе при помощи цифровой лаборатории «Архимед» я хотел бы глубже проникнуть в природу звука, исследовать его характеристики.
Цели: исследовать биения звука с помощью цифровой лаборатории «Архимед»
Задачи данной работы:
Изучение основных терминов и определений, связанных с звуковыми волнами.
Провести лабораторную работу по исследованию биения звука.
.
2.1. Теоретическая часть.
§1 Понятие механической волны
Опыт показывает, что колебания, возбужденные в какой-либо точке упругой среды с течением времени передаются к её остальным частям. Так от камня, брошенного в спокойную воду озера, кругами расходятся волны, которые со временем достигают берега. Колебания сердца, расположенного внутри грудной клетки, можно ощутить на запястье, что используется для определения пульса. Перечисленные примеры связаны с распространением механических волн.
Механической волной называется процесс распространения колебаний в упругой среде, который сопровождается передачей энергии от одной точки среды к другой.
Заметим, что механические волны не могут распространяться в вакууме.
Источником механической волны является колеблющее тело. Если источник колеблется синусоидально, то и волна в упругой среде будет иметь форму синусоиды. Колебания, вызванные в каком-либо месте упругой среды, распространяются в среде с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды.
Подчеркнем, что при распространении волны ''отсутствует перенос вещества'', т. е. частицы только колеблются вблизи положений равновесия. Среднее смещение частиц относительно положения равновесия за большой промежуток времени равно нулю.
§2 Основные характеристики волны
Амплитуда (Хmax) — модуль максимального смещения точек среды от положений равновесия при колебаниях;
Период (''T'') — время полного колебания (период колебаний точек среды равен периоду колебаний источника волны)
где ''t'' — промежуток времени, в течение которого совершаются ''N'' колебаний;
Частота (ν) — число полных колебаний, совершаемых в данной точке в единицу времени
Частота волны определяется частотой колебаний источника;
Скорость (υ) — скорость перемещения гребня волны (это не скорость частиц!)
Длина волны (λ) — наименьшее расстояние между двумя точками, колебания в которых происходят в одинаковой фазе, т. е. это расстояние, на которое волна распространяется за промежуток времени, равный периоду колебаний источника.
Для характеристики энергии, переносимой волнами, используется понятие ''интенсивности волны'' (''I''). Интенсивность представляет собой мощность, переносимую волнами через поверхность единичной площади, перпендикулярно к направлению распространения волны. Единицей интенсивности в СИ является ватт на метр в квадрате (1 Вт/м²)
§3. Продольные и поперечные волны.
Механические волны бывают разных видов. Если при распространении волны частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, такая волна называется поперечной.
Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту или по струне. Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, такая волна называется продольной.
Волны в упругом стержне или звуковые волны в газе являются примерами таких волн. Волны на поверхности жидкости имеют как поперечную, так и продольную компоненты. Как в поперечных, так и в продольных волнах не происходит переноса вещества в направлении распространения волны. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.
§4. Звуковые волны и их свойства
Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п. Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии учения о звуке - акустика. Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха не слышимы. То, что воздух - проводник звука, было доказано поставленным опытом Роберта Бойля в 1660 году. Если звучащее тело, например электрический звонок, поставить под колокол воздушного насоса, то по мере откачивания из-под него воздуха - звук будет делаться слабее, и наконец, прекратится. При своих колебаниях тело попеременно то сжимает слой воздуха, прилегающий к его поверхности, то, наоборот, создаёт разрежение в этом слое. Таким образом, распространение звука в воздухе начинается с колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела. Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь барабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано). Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Ухо их легко различает. Звук, создаваемый большим барабаном, это - звук низкого тона, свист - звук высокого тона. Простые измерения (развертка колебаний) показывают, что звуки низких тонов - это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука. Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров - простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Чем больше размеры камертона, тем ниже звук, который он испускает при ударе по нему. Если взять несколько камертонов разного размера, то не представит труда расположить их на слух в порядке возрастания высоты звука. Тем самым они окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон даёт низкий звук, а маленький - наиболее высокий. Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия же колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. В том, что распространение звуковых волн происходит не мгновенно, можно увидеть из простейших наблюдений. Если вдали происходит гроза, выстрел, взрыв, свисток паровоза, удар топором и т.п., то сначала все эти явления видно, а только потом, спустя некоторое время, слышен звук. Как и всякая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения колебаний в ней. Скорость звука различна в разных средах. Например, в водороде скорость распространения звуковых волн любой длины равна 1284 м/c, в резине - 1800 м/с, а в железе - 5850 м/c. Сейчас акустика, как область физики рассматривает более широкий спектр упругих колебаний от самых низких до предельно высоких, вплоть до 1012 Гц. Не слышимые человеком звуковые волны с частотами ниже 16 Гц называют инфразвуком, звуковые волны с частотами от 20 000 Гц до 109Гц - ультразвуком, а колебания с частотами выше чем 109Гц называют гиперзвуком. Этим неслышимым звукам нашли много применения. Ультразвуки и инфразвуки имеют очень важную роль и в живом мире. Так, например, рыбы и другие морские животные чутко улавливают инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями. Таким образом, они заранее чувствуют приближение шторма или циклона, и уплывают в более безопасное место. Инфразвук - это составляющая звуков леса, моря, атмосферы. При движении рыб, создаются упругие инфразвуковые колебания, распространяющиеся в воде. Эти колебания хорошо чувствуют акулы за много километров и плывут навстречу добыче. Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки). Эхо - волна, отраженная от какого-либо препятствия и принятая наблюдателем. Звуковое эхо воспринимается ухом раздельно от первичного сигнала. На явлении эхо основан метод определения расстояний до различных предметов и обнаружения их месторасположений. Допустим, что каким-нибудь источником звука испущен звуковой сигнал и зафиксирован момент его испускания. Звук встретил какое-то препятствие, отразился от него, вернулся и был принят приёмником звука. Если при этом был измерен промежуток времени между моментами испускания и приёма, то легко найти и расстояние до препятствия. За измеренное время t звук прошёл расстояние 2s, где s - это расстояние до препятствия, а 2s - расстояние от источника звука до препятствия и от препятствия до приёмника звука.
По этой формуле можно найти расстояние до отражателя сигнала. Но надо ещё знать, где он находится, в каком направлении от источника сигнал встретил его. Между тем звук распространяется по всем направлениям, и отраженный сигнал мог прийти с разных сторон. Чтобы избежать этой трудности используют не обычный звук, а ультразвук. Главная особенность ультразвуковых волн состоит в том, что их можно сделать направленными, распространяющимися по определённому направлению от источника. Благодаря этому по отражению ультразвука можно не только найти расстояние, но и узнать, где находится тот предмет, который их отразил. Так можно, например, измерять глубину моря под кораблем. Звуколокаторы позволяют обнаруживать и определять местоположение различных повреждений в изделиях, например пустоты, трещины, постороннего включения и др. В медицине ультразвук используют для обнаружения различных аномалий в теле больного - опухолей, искажений формы органов или их частей и т.д. Чем короче длина ультразвуковой волны, тем меньше размеры обнаруживаемых деталей. Ультразвук используется также для лечения некоторых болезней.
2.2. Журнал исследования
Когда звуковые волны с различными, но близкими частотами накладываются друг на друга, мы слышим звук, частота которого равна среднему значению исходных частот. А сила этого звука меняется с частотой, равной разности исходных частот. Если математические выражения для исходных звуковых волн имеют вид:
Х1 = Хmax sin (2πν1t), Х2 = Хmax sin (2πν2t), где ν1 и ν1 – частоты , то результат наложения колебаний можно записать в виде:
Х = 2 Хmax соs (π(ν1 – ν2 )t) sin (π(ν1 – ν2 )t).
Цель лабораторной работы: исследовать форму результирующей волны, анализируя записанные сигналы микрофонного датчика и выполняя преобразования Фурье для этих сигналов.
Схема экспериментальной установки:
Оборудование и материалы:
Портативный компьютер Nova5000
Микрофонный датчик
Соединительные провода для датчика
Камертон на резонаторном ящике частотой 440 Гц
Генератор звуковых сигналов демонстрационный и динамик
Резиновый молоточек для камертона
Установили камертон на расстоянии 25 см от динамика, открытой стороной направив к динамику. Расположили микрофонный датчик на середине расстояния между ними.
Настроили звуковой генератор так, чтобы были сигналы с частотой, близкой к 440 Гц.
Ударом резинового молотка возбудили звучание камертона.
Меняли расстояние между камертоном и динамиком, чтобы найти положение, при котором звук имеет максимальную силу.
Подсоединили датчик к Nova, включили Nova и запустили программу MultiLab. Установили параметры измерений при помощи кнопки «Настройка»: частота 20800 замеров /с, замеров 500.
Регистрировали данные в виде графиков. Сначала показаны графики с одновременно звучащими приборами, а потом каждый по отдельности.
Открыли файл с данными для одновременно звучащих камертона и динамика. Вырезали 2 звуковых импульса. Определили частоты биений и сравнили экспериментально полученное значение с теоретическим. Убедились, что принятое значение частоты действительно соответствует среднему значению исходных частот.
Каждое зарегистрированное колебание, представленное на временной шкале, может быть преобразовано и представлено на частотной шкале. Преобразование Фурье как раз осуществляет такую трансформацию данных. В результате эти данные отображаются в виде набора гармоник (одночастотных синусоидальных колебаний) с переменными амплитудами. При помощи «Мастера анализа» произвели преобразование Фурье для биения.
Увеличили масштаб графика и нажав кнопку «Свойства графика» в открывшемся окне указали минимальное и максимальное значение диапазона частот: от 0,3 до 0,6 кГц. На экране появился приведённый ниже график зависимости амплитуды колебаний от частоты (результат преобразования Фурье для биения)
Измерили основные компоненты преобразования и убедились, что они соответствуют двум исходным частотам.
Заключение:
В своей работе я изучил основные теоретические вопросы, связанные со звуковыми волнами, а так же исследовал форму результирующей волны, анализируя записанные сигналы микрофонного датчика и выполняя преобразования Фурье для этих сигналов.
Данную работу можно использовать при изучении звуковых волн в классах с углублённым изучением физики.
Литература:
1. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.
2. Исакович М. А.Общая акустика. – М.: Наука, 1973. – 495 с.
3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: Наука, 1995. – 343 с.
4. Клюкин И. И. Удивительный мир звука. – Л.: Судостроение, 1978. – 166 с.
5. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – 520 с.
6. Лепендин Л. Ф. Акустика. – М.: Высшая школа, 1978. – 448 с.
7. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1982. – 846 с.
8. Шебалин О. Д. Физические основы механики и акустики. – М.: Высшая школа, 1981. – 263 с.
9. Справочное пособие к цифровой лаборатории «Архимед»
Приложенные файлы
