Визуализация звуковых волн реферат

Обновлено: 02.07.2024

Важность исследования данной темы связана с тем, что сейчас в городе Красноярске активно развивается досуговая деятельность: в летнее время повсеместно появляются открытые площадки, на которых проводятся концерты, выступления артистов и разворачиваются целые спектакли. Можно ли смоделировать распространение звука на открытых концертных площадках и, спрогнозировав его, правильно установить колонки и трибуны, чтобы все зрители услышали качественное звучание? Можно ли применить данную технологию для разделения наночастиц?

Флореса Фридриха Хладни считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона. Фактическое объяснение эха также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Но особенно известны фигуры Хладни, получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку мелкодисперсным порошком. Если в среде распространяется несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Волны накладываются друг на друга, не возмущая (не искажая друг друга). Это и есть принцип суперпозиции волн. Если две волны, приходящие в какую-либо точку пространства, обладают постоянной разностью фаз, такие волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции. Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград

• Основные задачи: проанализировать литературу по данной теме, самостоятельно изучить стоячие волны и с помощью установки исследовать зависимость вида изображения от формы пластин, положения опор и частоты вибрации. Продумать практическое применение явления.

• Методы и методики решения основных задач: теоретические методы: изучение и анализ научной и научно-популярной литературы по колебаниям и волнам; экспериментальные методы исследования: опытно-конструкторская работа по созданию установки для получения изображения стоячих волн и их изучению; метод наблюдений за явлением; математические методы анализа результатов исследования.

Общий рисунок зависит от формы пластины, положения опор, частоты вибрации и место возбуждения пластины. Автором создана установка для получения звуковых волн и их наблюдения . Проделана серия опытов по исследованию зависимости изображения, которое дает сыпучий материал от различных параметров, в частности от частоты колебаний . Результатом является углубление знаний по физике, более полное понимание природы возникновения стоячих волн и способов их предотвращения. Собрано наглядное пособие для визуализации звуковых колебаний и изучения стоячих волн.

Некоторые из других, полученных нами фигур Хладни:

Перспективы: Хладни обнаружил, что песчинки под действием вибрации могут формировать симметричные фигуры (фигуры Хладни), показывающие распределение стоячих волн. Спустя 200 лет были обнаружены микроскопические фигуры Хладни, открывающие новые возможности сортировки частиц по размерам. Точное размещение наночастиц на поверхности является ключевой проблемой большинства нанотехнологичных приложений, в особенности, молекулярной электроники. Кроме того, для многих применений большое значение имеет сортировка частиц по размерам. Швейцарские исследователи показали, что использование стоячей звуковой волны позволяет сортировать частицы в зависимости от их размеров. Наночастицы агрегируются в пучностях, а микронные частицы в узлах звуковой волны. Демонстрация микроразмерных фигур Хладни открывает новые возможности для сортировки и манипуляции частицами, клетками и органеллами в зависимости от их размеров. Таким образом может осуществляться многошаговая сборка сложных биотехнологических сенсоров или наноэлектрических цепей.

3. Заключение: В ходе исследовательской работы:

1. Автором изучена и проанализирована литература по данной теме.

2. Собрана установка для получения и изучения стоячих волн.

3. Достигнуто понимание природы стоячих волн, их возможностей и возникло желание их дальнейшего исследования.

4. Начато изучение зависимости вида изображения материала от формы пластин, положения опор, частоты вибрации и точки возбуждения пластины.

5. Придумано применение собранной установки для решения реальных задач: для моделирования расстановки звукового оборудования на концертных площадках в черте города, чтобы предотвратить возникновение стоячих волн; возможность использования установки для сортировки мелких частиц и манипуляции частицами микроскопического размера.

6. Подобрана программа для математического моделирования процесса возникновения стоячих волн и появилось желание и возможность на следующем этапе сравнить экспериментальные результаты визуализации и смоделированные на компьютере.

Визуализация звука и его действие на струю жидкости

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Проблема

Звук человек слышит, но не видит, поэтому трудно понять сущность звука и его свойства.

Гипотеза

Если применить методы визуализации, то можно исследовать звук , звук влияет на состояние жидкости.

Создать условия для наглядного изучения звука и его воздействия на жидкость.

Предмет исследования : киматика

Объект исследования - звук

Задачи:

- собрать и систематизировать информацию о звуке;

- поставить эксперимент по изучению характеристик звука , издаваемого музыкальным инструментом ;

- доказать волновую природу звука;

-сконструировать экспериментальную установку и

исследовать воздействие звука на струю жидкости

Методы исследования:

-моделирование;

-теоретические методы анализа и синтеза.

Работа носит прикладной характер, дает наглядное понимание звука и может быть использована при изучении звуковых волн как на уроках, так и на элективных курсах физики. Глава 1 Что такое звук

1.1Звуковые волны

Волна, это распространение колебаний в пространстве .Механические волны бывают разных видов. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой. Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, такая волна называется продольной . Если при распространении волны частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, такая волна называется поперечно (Приложение 1).Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту или по струне.

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Звук может возникать только там, где есть вещество. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе.

Звуковые волны являются продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). Любой источник звука обязательно колеблется (хотя чаще всего эти колебания незаметны для глаза). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук серены, свист ветра, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха. Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган — ухо. Это необычайно тонкий аппарат, который отзывается на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определённое ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук. Но не все колебания, воспринимаются нами как звук. Человеческое ухо способно воспринимать звук в достаточно широком, но ограниченном диапазоне от 16 Гц до 20кГц Волны с v 20 кГц (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.[10].

1.2 Характеристики звука

Основными параметрами любой волны и звуковой в частности, является частота, период и амплитуда, скорость и длина волны.

Амплитуда — модуль максимального смещения точек среды от положений равновесия при колебаниях. Амплитуды волны определяет такое свойство звука , как громкость.

Длина волны λ — наименьшее расстояние между двумя точками, колебания в которых происходят одинаково.

Период T— время ,за которое волна проходит одну свою длину

где t, — промежуток времени, в течение которого совершаются N колебаний.

Частота ν —показывает, какое количество волн образуется за единицу времени

Частота звука измеряется в герцах (Гц).

Скорость (υ) — скорость волны.

Длины волны - расстояние между двумя ближайшими точками среды.которые колеблются одинаково.

График волны представляет зависимость смещения всех частиц среды х от расстояния l до источника колебаний в данный момент времени и имеет вид кривой.

Приведем некоторые значения уровней звука

Шорох листьев, шум слабого ветра

Шепот (например, на задней парте)

Разговор средней громкости

Автомагистраль с интенсивным движением

Физиологический болевой порог у человека наступает при 130 дБ [l0].

1.3 Ультразвук и инфразвук

Особым видом звуковых колебаний является ультразвук, весьма эффективное средство в руках медиков и других исследователей. К таким колебаниям относятся волны с частотами за 20 000 Гц. Этот вид колебаний обладает целым рядом уникальных свойств. Проходя через воду, ультразвук вызывает её кипение с возникновением гидравлического удара. С помощью ультразвука можно отрывать элементы от поверхности металла, дробить твердые тела. Ультразвук позволяет смешивать жидкости, которые в обычных условиях не смешиваются, к примеру, эмульсии с масляной основой. Ультразвук позволяет производить омыление жиров. Этот принцип лежит в устройстве стиральных машин. Свойство ультразвука производить дробящий эффект нашло применение в ультразвуковых паяльниках. Особый вид колебаний с частотой до 16 Гц получил название инфразвук. Известно, что колебания этой частоты способны оказать болезненное влияние на организм человека. При частотах 4-8 Гц ощущается вибрация внутренних органов, частота в 12 Гц провоцирует приступ морской болезни. Источниками инфразвука могут стать машины и механизмы с большими поверхностями, которые совершают механические колебания низкой частоты

Глава 2 Способы визуализации звука

В зависимости от характера используемого эффекта все методы визуализации звука можно подразделить на две группы:

1) методы, в которых используются колебательное смещение частиц.

Один из способов этого метода - изображения звука при помощи компьютерных технологий. Основным достоинством этого метода является возможность проводить комплексную обработку изображения звука. В компьютер приходит не сам звук, а электрический сигнал, снимаемый с какого-либо устройства: микрофона, преобразующего звуковое давление в электрические колебания.

Практическая часть 1

Исследование характеристик звука методом визуализации, в которых используются колебательное смещение частиц.

1. Источник звука – скрипка.

Цель эксперимента - увидеть графическое изображение звука.

Результат эксперимента

Эксперимент 2

Результат эксперимента : чем выше звук, тем колебание на разверстке проходили чаще, то есть частота волны больше.

Эксперимент 3

Результат эксперимента: чем громче звук, тем амплитуда волны больше.

Выводы.

1.Звук имеет волновую природу.

2.Характеристики звука: громкость определяются амплитудой звуковой волны, а высота - частотой звуковой волны.

Практическая часть 2

Воздействие звука на струю жидкости – метод визуализации звука основанный на изменении формы струи .

Создание установки для исследования.

Звуковой генератор (в дальнейшем ЗГ) мы скачали приложением на мобильном телефоне. Динамик сделали из старой колонки от компьютера. В пластиковой бутылке сделали отверстие в крышке и срезали дно. В крышку вдели пластиковую пипетку и на нее надели трубку. На конце трубки примотали скотчем стеклянную пипетку диаметром 0.5 см и соплом диаметром 0.1 см. Сантехническими хомутами закрепили бутылку на каркасе. В качестве поддон для струи мы использовали ящик для рассады (Приложение 6).

Эксперимент 1 .Зависимость неустойчивостиструи жидкости от частоты звука .

Постепенно наливали воду в бутылку , регулировали длину струи. На частоте ЗГ примерно 140 Гц наблюдаем эффекта" слипания струи" ( Приложение 7).. Звук как бы отрывает от струи через равные промежутки времени одинаковые капли. Эти капли быстро движутся по одной траектории и производят впечатление сплошной слипшейся струи. Производили изменения частоты звука. При уменьшении частоты ЗГ до 110 Гц мы заметили, что струя раздваивается. При достижении частоты 63Гц то струя делится на три части (Приложение 8).

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… Читать ещё >

Визуализация звуковых волн ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

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.

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

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 1707 г 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.

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.

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

Глава 1. Теоретическая часть Таблица 1. Физические величины, характеризующие звуковые волны

Цель моей работы: визуализировать звуковые колебания и выявить зависимость фигуры Хладни от свойств пластины и сыпучего материала.

Задачи: изучить биографию Эрнста Хладни и теорию о звуковых и стоячих волнах, собрать установку и получить фигуры Хладни, выяснить зависимость изображения от свойств пластины и сыпучего материала.

В упругой пластине под действием звука возникают стоячие волны, как результат сложения самой волны и волны, отраженной от края пластины.
Фигура Хладни образуется, потому что мелкая частица подпрыгивает на вибрирующей от звука пластине и стремится туда, где вибрация наименьшая. Для получения фигур Хладни, я собрал установку из компьютерных колонок и динамика домашнего кинотеатра. К динамику прикрепил пластмассовый стакан, а к нему лист ДВП. Для того чтобы настраивать частоту звука я скачал на смартфон программу звукового генератора.

С помощью этой установки я провел 6 экспериментов.

Эксперимент 1. Исследовал зависимость фигур Хладни от выбора источника звуковых волн. Сначала я получил фигуру на листе ДВП из манной крупы, используя компьютерную колонку. Затем я провел этот же опыт с автомобильной колонкой. Что интересно, при одной и той же частоте звуковой волны, в обоих опытах фигуры получились одинаковые.
Эксперимент №2. Исследовал зависимость фигур Хладни от частоты звуковой волны. С помощью смартфона я менял частоту звуковой волны и наблюдал за картиной узлов и пучностей. Оказалось, что простые фигуры образуются низкими частотами, а более сложные — высокими частотами.
Эксперимент №3. Исследовал зависимость фигур Хладни от материала пластин. Я взял лист ДВП размером 40 на 40 см. и лист пластика таких же размеров. Получил на них фигуры Хладни при одинаковой частоте. Эти фигуры отличались друг от друга. Значит, картина узлов и пучностей зависит от материала пластины.
Эксперимент №4. Исследовал зависимость фигур Хладни от рода сыпучих материалов. Я наблюдал за узорами, которые создавали на пластине частички манной крупы при частоте звуковой волны 110 Гц. А затем повторил опыт, но заменил крупу на соль. Сравнив узоры, пришел к выводу, что вид фигур Хладни не зависит от размеров сыпучих материалов.
Эксперимент №5. Исследовал зависимость фигур Хладни от формы пластин. Я получил фигуры Хладни на четырех листах пластика, имеющих разную форму. Узоры отличались друг от друга. Следовательно, картина узлов и пучностей зависит от формы пластины.
Эксперимент №6. Получить фигуры Хладни на поверхности воды. Я расположил динамик на ровной поверхности, на него поставили ванночку с водой. Увидел, что появление стоячих волн и фигур Хладни можно наблюдать и в жидкой среде.

Результаты моей исследовательской работы можно использовать в учебных целях во время уроков или внеурочной деятельности для наглядной демонстрации стоячих волн на примере фигур Хладни.

Читайте также: