Ученическая исследовательская работа «Изучение характеристик звуковой волны путем визуализации волн «

МБОУ «Гуманитарно-юридический лицей № 86»
Научно-практическая конференция
«Шаг в науку»






Секция: естествознание

Тема: Изучение характеристик звуковой волны путем визуализации волн





Автор: Бушмин Олег
Шадрин Максим
9Б класс
Руководитель: Кравченко Лора Викторовна
учитель физики





Ижевск 2015
Оглавление
HYPER13 TOC \o "1-3" \h \z \u HYPER14HYPER13 HYPERLINK \l "_Toc412638432" HYPER14Введение HYPER13 PAGEREF _Toc412638432 \h HYPER144HYPER15HYPER15
HYPER13 HYPERLINK \l "_Toc412638433" HYPER14Теоретическая часть HYPER13 PAGEREF _Toc412638433 \h HYPER146HYPER15HYPER15
HYPER13 HYPERLINK \l "_Toc412638434" HYPER14Практическая часть HYPER13 PAGEREF _Toc412638434 \h HYPER148HYPER15HYPER15
HYPER13 HYPERLINK \l "_Toc412638435" HYPER14Заключение HYPER13 PAGEREF _Toc412638435 \h HYPER1412HYPER15HYPER15
HYPER15

Введение
Человек живет в мире информации и воспринимает окружающий мир с помощью органов чувств. Наибольшее количество информации (около 90%) человек получает с помощью зрения, около 9% с помощью слуха и только 1% с помощью других органов чувств (обоняния, осязания и вкуса).
Слух полностью сформирован у только что родившегося ребенка, который распознает голос матери сразу же после рождения. Любые звуковые колебания воздуха, воздействующие на орган слуха, дают возможность понять, что происходит вокруг.  Именно орган слуха человека позволяет существовать в социальной среде, воспринимать устную речь, позволяет общаться с другими людьми и заниматься общественной и трудовой деятельностью. Слух – это самое острое и самое совершенное чувство. Количество звуковых колебаний, воспринимаемых органом слуха, в миллионы раз меньше, чем количество молекул, на которые реагирует орган обоняния человека. В результате человек может различать огромный диапазон самых разнообразных звуков и, что самое главное, очень точно определять расстояние до их источника. Врожденные или приобретенные в раннем возрасте дефекты органов слуха могут повлечь за собой не только тяжелые интеллектуальные и когнитивные, но и социально-психологические дефекты развития. Человек, как сугубо социальное существо, переживает настоящую душевную драму вместе с потерей слуха. Именно поэтому мы озадачились вопросом: можно ли увидеть звуковые колебания, и если это возможно, то каковы их характеристики?
Цель работы: изучить характеристики звуковых волн путем их визуализации. Задачи:
Изучить существующую практику визуализации звуковых волн;
Получить изображение звуковых волн разной частоты;
Рассчитать длину волны в зависимости от частоты колебаний;
Рассчитать скорость звука при данных условиях;
Объект исследования: процесс образования стоячей звуковой волны.
Предмет исследования: стоячая звуковая волна, полученная различными способами. Гипотеза: мы предполагаем, что звуковые волны можно видеть невооруженным глазом .


Теоретическая часть
Звук - это колебания, периодическое механическое возмущение в упругих средах - газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Область физики, рассматривающая вопросы возникновения, распространения приема и обработки звуковых волн, называется акустикой. Звуковые колебания, воспринимаемые человеческим ухом, лежат в диапазоне 16-20000 Гц. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде.
Звуковые волны распространяются через воздух, жидкости и ткани человеческого организма почти исключительно в виде упругих волн. Последние представляют собой зоны, в которых молекулы, составляющие среду, попеременно разрежаются или уплотняются. Таким образом, звуковые волны могут распространяться через вещество и не распространяются в вакууме.
Если частицы колеблются параллельно направлению распространения волны, то волна называется продольной. Звуковые волны в газах и жидкостях - продольные.
Звуковая волна, как и любая другая, характеризуется длиной волны и частотой.
Длина волны –это расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах.
Частота – это число полных волн, прошедших мимо наблюдателя в единицу времени.
Скорость звука - это характеристика среды, в которой распространяется волна. Она определяется двумя факторами: упругостью и плотностью материала.
В газах возможен только один тип деформации: сжатие - разрежение.
Известно, что в разных газах звук распространяется с различной скоростью. Чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость звука в нем. Однако, скорость звука в газах зависит не только от плотности, но и от температуры. При данной температуре скорость звука примерно одинакова для всех газов. При температуре 21,1° С скорость звука в сухом воздухе составляет 344,4 м/с и возрастает с повышением температуры.
Расчет скорости распространения звуковой волны в газах производится по формуле HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15, где HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 - показатель адиабаты, R-универсальная газовая постоянная, Т-температура. Так как, измерить температуру в нашем эксперименте не представлялось возможным, то скорость звука рассчитали зная длину и частоту волны.
Когда гармоническая волна возбуждается в ограниченном пространстве, так что она отражается от границ, возникают так называемые стоячие волны. Стоячая волна - это результат наложения двух волн, бегущих одна в прямом, а другая - в обратном направлении. Возникает пространственная картина колебаний с чередованием пучностей и узлов. В пучностях отклонения колеблющихся частиц от их равновесных положений максимальны, а в узлах равны нулю.
Если для получения стоячей волны использовать трубу, закрытую с одного конца, то получаемые в ней стоячие волны, изображены на рис.1.

Рис. 1

Стоячие волны тесно связаны с явлением резонанса. Собственные частоты, о которых говорилось выше, являются также резонансными частотами струны или органной трубы. Предположим, что вблизи открытого конца органной трубы помещен громкоговоритель, издающий сигнал одной определенной частоты, которую можно по желанию изменять. Тогда при совпадении частоты сигнала громкоговорителя с основной частотой трубы или с одним из ее обертонов труба будет звучать очень громко. Это происходит потому, что громкоговоритель возбуждает колебания воздушного столба со значительной амплитудой.

Практическая часть
3. Визуализация звуковых волн в трубе Рубенса
В первые Джон Ле Конт (John Le Conte) открыл чувствительность пламени к звуку в 1858 году. В 1862 году Рудольф Кёниг показал, что высоту пламени можно менять, посылая звук в источник газа, и изменения во времени могут быть отображены при помощи вращающихся зеркал. Август Кундт в 1866 году, продемонстрировал акустические стоячие волны, помещая семена плауна или корковую пыль в трубу. Когда в трубу был запущен звук, то из семян сформировались узлы (точки, где амплитуда минимальна) и пучности (анти-узлы - области, где амплитуда максимальна), сформированные стоячей волной. Позже, уже в XX веке, Бен (Behn) показал, что маленькое пламя может служить чувствительным индикатором давления. Наконец, в 1904 году, используя эти два важных эксперимента, Генрих Рубенс, в чью честь назвали этот эксперимент, взял 4-метровую трубу, просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2 см и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков примерно одинакова по всей длине трубы), он заметил, что звук, подведённый к концу трубы, создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука.
3.1. Устройство трубы Рубенса
Экспериментальная установка представляет собой отрезок металлической трубы, перфорированный по всей длине с промежутками между отверстиями в 1см, один конец которой подключался к источнику горючего газа (баллону с природным газом) (приложение 1). Состав газа – смесь бутана(С4Н10) -70% и пропана(С3Н8) -30%. С другой стороны трубы подключался динамик (приложение 2).
Во время эксперимента труба заполняется горючим газом, вследствие чего он поступает из всех отверстий и после поджога загорается. Если используется постоянная частота, то в пределах трубы формируется стоячая волна (приложение 3)
При включении динамика появляется звуковая волна, которая формирует в трубе области повышенного и пониженного давления. В местах повышенного давления через отверстия просачивается больше газа и высота пламени выше. Благодаря этому можно измерить длину волны достаточно точно с помощью линейки или зная расстояния между отверстиями. В нашем случае, данное расстояние равнялось 1 см. (приложение 4)
3.2. Эксперимент с трубой Рубенса
Для генерирования звуковых частот использовали программное обеспечение SOUNDCARD SCOPE 1.41 – осциллограф с генератором звуковых сигналов на два канала.
Исследования проводились со звуковыми волнами следующих частот:
1000 Гц
1500 Гц
2000 Гц
2500 Гц
С увеличением частоты длина волны уменьшается. Этот факт был зафиксирован экспериментально. Результаты представлены в таблице.
№опыта
Длина волны, см
Частота, ГЦ
№фотографии

1
26
1000
№1

2
18
1500
№2

3
12
2000
№3

4
9
2500
№4


График зависимости длины волны от частоты звука(приложение 10.). Длина волны с частотой связана отношением HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15.
Отсюда скорость звука можно рассчитать по формуле HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15.
V1=0,26 м * 1000 Гц = 260 м/с
V2=0,18 м * 1500 Гц = 270 м/с
V3=0,12 м * 2000 Гц = 240 м/с
V4=0,09 м * 2500 Гц = 225 м/с
Vср.= (V1+ V2+ V3+ V4)/4 = 249 м/с
Погрешность измерения длины волны, производили исходя из того факта, что расстояние между пиками волн измеряли количеством интервалов между отверстиями, а отверстия располагались на расстояниях от 0.8 мм до 1.2 мм. Следовательно, HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15= 2 мм.
Заключение

В ходе работы по визуализации звуковых волн мы изучили литературу и интернет ресурсы, в которых описываются подобные эксперименты. С помощью трубы Рубенса получили изображение волн с частотами от 1000 Гц до 2000 Гц, измерили длины волн разной частоты, а также рассчитали скорость звука внутри трубы, заполненной природным газом. Она оказалась равна 249 м/с. Таким образом, наше предположение, что звуковые волны можно увидеть невооруженным глазом подтвердилось. Нам удалось не только увидеть звуковую волну, но и определить скорость ее распространения в природном газе.
Однако в ходе эксперимента нам не удалось измерить температуру газа внутри трубы. Поэтому данные исследования можно продолжить и изучить зависимость скорости звука в природном газе от температуры. Для этого нужно усовершенствовать установку, встроив туда прибор для измерения температуры.

Список использованной литературы
Дмитриева В.Ф. – учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования – 13-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 464 с.
Касьянов В.А. – Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000. – 416 с.
Мякишев Г.Я. – Физика: учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. – 14-е изд. – М.: Просвящение, 2005. – 382 с.
Пинский А.А., Граковский Г.Ю. – Физика: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой. – 2-е изд., испр. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003. – 560 с.
Вся физика: 7-11 класс/автор составитель Е.Н. Изергина. – М.: Астрель: АСТ, 2006. – 491 с.

Использованные интернет-источники

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] – Википедия, свободная энциклопедия
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] - словари и энциклопедии на Академике
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] - Простая наука
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] - Галилео
Приложение 1

Приложение 2



Приложение 3

Приложение 6
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


Приложение 7
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Приложение 8
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


Приложение 9
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]






8





Root Entry

Приложенные файлы

  • doc file2
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий