XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Можно ли увидеть звук?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Я очень люблю музыку и играю на фортепиано, поэтому заинтересовался возможностью «увидеть» мелодию, точнее те колебания, которые она производит. Эта тема для меня очень интересна. И я думаю, что многим людям было бы ценно «увидеть» свои любимые произведения в различных вариациях. Данная тема в обществе нова и мало обсуждается, хотя существуют различные визуальные эффекты к музыке, но они по факту никак с ней не связаны, это просто наложение случайного видеоряда (картинки) на звук.
А еще я обнаружил, что существует метод акустической голографии и для Российской промышленности он инновационный и очень перспективный. В частности, его используют в энергетике, для отслеживания и бесконтактного контроля работоспособности оборудования. Он помогает выявить неисправность, предвосхищая поломку оборудования, что значительно помогает увеличить его ресурс и сократить затраты. Это возможно за счет того, что звуковая волна, через специально созданный прибор представляется цветом различного спектра. В будущем я бы хотел продолжить подробнее изучать данное практическое применение, а возможно изобрести что-то новое.
В данной исследовательской работе я постарался рассмотреть и проанализировать теоретическую базу о звуковой и световой волнах, а также провел эксперимент, который позволил проверить мою гипотезу.
Проблема
Звуковые волны не видны человеческому глазу, но они заставляют вибрировать предметы, окружающие нас. Я бы хотел провести исследования при каких условиях эти колебания можно увидеть.
Цель
Увидеть звук и смоделировать прибор, который позволит наблюдать малейшие перемещения акустических волн в воздухе.
Задачи
-
Изучить, проанализировать и сопоставить, что такое звуковая и световая волны.
-
Сделать прибор, который позволит наблюдать малейшие перемещения акустических волн в воздухе.
-
Проанализировать результаты.
Объектом данного исследования является звук и свет.
Предмет трансформация акустической волны в световую.
Гипотеза: я предполагаю, что звук, возможно, увидеть, так как это волновые колебания, так же как и свет.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1.Что такое звук
Раздел физики, изучающий звуковые волны, называется акустика.
Звук — это физическое явление, которое представляет собой распространение волн в различных средах. Это периодическая волна, а атомы окружающей среды совершают простое гармоническое колебание.
Звук измеряется в герцах (Гц).
Органы слуха человека воспринимают колебания частот примерно от 16 Гц до 20000 Гц. Этот диапазон называют звуковым. Существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Этот диапазоны человеческим ухом не воспринимаются (Рис.1). Хотя могут восприниматься некоторыми животными или насекомыми. Слоны, например, используют инфразвук для общения.
Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха
Звук возникает из-за колебаний объекта с определенной частотой. Звуковые волны — механические колебания, распространяющиеся в упругих средах: газах, жидкостях и твёрдых телах, невидимые, но воспринимаемые органами слуха. Они распространяются во все направления. Между источником звука и ухом человека должна быть среда, которая может быть газообразной, жидкой или твердой. В этой среде должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звука возможен только в присутствии вещества. Если вещества нет, звук не будет слышен.
Итак, для существования слышимого звука необходимы:
1. Источник звука
2. Среда
3. Приемник звука (ухо, микрофон)
4. Частота 16–20000 Гц
5. Интенсивность
Рассмотрим, как возникает звук, на примере струны (Рис.2). Когда струна колеблется взад и вперед она передает энергию воздуху, в виде тепловой энергии. Но небольшая часть энергии струны идет на сжатие и расширение окружающего воздуха, создавая чуть более высокие низкие локальные давления. Эти сжатия (области высокого давления) и разрежения (области низкого давления) распространяются в виде продольных волн давления, имеющих ту же частоту, что и струна, — это колебания, которые называют звуковой волной. (Звуковые волны в воздухе и большинстве жидкостей продольные, потому что жидкости почти не имеют сопротивления сдвигу. В твердых телах звуковые волны могут быть как поперечными, так и продольными).
Рис.2. Воздействие на слуховой аппарат человека
Характеристики звука
Характеристики звука можно разделить на объективные (физические, характеризуют источник звука) и субъективные (физиологические, характеризуют приёмник звука) (Рис.3).
Рис.3 Характеристики звуковой волны
Физические (объективные) характеристики
Форма звуковых колебаний зависит от источника звука. Наиболее простую форму имеют равномерные, или гармонические колебания (Рис. 4). Такие колебания характеризуются амплитудой, длиной волны и частотой распространения колебаний.
Рис. 4 Физические характеристики звуковой волны
Интенсивность (сила) звука. Показывает, какое количество энергии перенесено звуковой волной через единицу площади за единицу времени. За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). На практике громкость измеряют в децибелах (дБ).
1 дБ = 0,1 Б.
10 дБ – шепот;
20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
130 дБ – порог болевого ощущения.
Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.
Частота звука это физическая величина, численно равная отношению числа колебаний ко времени, за которое эти колебания были совершены. Частота показывает, сколько колебаний совершается за единицу времени. Частота измеряется в герцах (Гц).
Амплитудой звуковой волны называется половина разницы между самым высоким и самым низким значением плотности. На рис.4 амплитуде будет соответствовать разница между самой высокой (или низкой) точкой волны и горизонтальной осью графика.
Скорость звука
Звук, как и другие механические волны, распространяется с конечной скоростью и обладает такими свойствами как частота и длина волны. Можно наблюдать прямое свидетельство наличия скорости у звука, наблюдая за фейерверком. Вспышка взрыва видна задолго до того, как слышен его звук, это значит, что звук распространяется с меньшей скоростью, чем свет.
Скорость звука зависит от окружающей его среды, в которой он распространяется и сильно различается в разных средах. Чем меньше расстояние между частицами окружающей среды, тем медленнее будет распространяться звук.
Физиологические (субъективные) характеристики
Громкость звука — это субъективное ощущение силы звука, возникающее у слушателя под воздействием звуковых колебаний. Громкость напрямую зависит от амплитуды колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем громче звук, и наоборот. Например, если ударить по барабану слабо, то звук будет тихий. А если ударить сильнее, то звук будет громче. Это связано с тем, что во втором случае амплитуда колебаний гораздо больше. Громкость также зависит от условий, в которых распространяется звук и от времени, в течение которого слушатель воспринимает звук.
Восприятие звука – вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат человека.
Высота звука — свойство звука, определяемое человеком на слух и зависящее в основном от частоты колебаний в секунду, которые воздействуют на барабанную перепонку человека. С увеличением частоты колебаний растёт высота звука. Высота звука прямо пропорциональна частоте колебаний источника звука.
Тембр – это звук, в котором присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд. Основной тон (сам звук) определяет высоту звука, обертоны (призвуки, входящие в спектр музыкального звука), накладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специфическую окраску – тембр. Тембр – это, то, чем отличаются два одинаковых звука, например, исполненные различными музыкальными инструментами. Если услышать одну и ту же ноту ля, взятую на гитаре и на фортепиано, то они отличаются. И сразу можно сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность – окраску звука – и характеризует тембр.
1.2. Что такое свет
Большая часть информации, которую получает человек из окружающего мира, — визуальная информация.
Нас окружает множество тел, которые испускают свет. Раздел науки, изучающий свет, называют оптикой.
Свет — это электромагнитное излучение, видимое человеческому глазу. Оно состоит из волн разной длины, воспринимаемых как разные цвета. Очень длинные волны воспринимаются как красный, а очень короткие как фиолетовый. Между ними находятся оранжевый, жёлтый, зелёный, синий и индиго. Ниже красного находятся инфракрасные, микро- и радиоволны; выше фиолетового находятся ультрафиолет, рентгеновское и гамма-излучение. Длина волны света измеряется в нанометрах, у привычного света длина волны около 360 нанометров. Видимый свет это свет с длиной волны от400 до 760 нанометров. Свет с длиной волны меньше 400 нм может быть ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением (Рис. 5).
Свет с длиной волны превышающей 760 нм называют инфракрасным излучением.
Рис. 5 Диапазон длинны волны света
По механизму возникновения электромагнитного излучения существуют искусственные и естественные источники света:
● естественные источники — природные «излучатели» (например, звезды);
● искусственные источники — технологические «излучатели» (например, лампа).
В повседневной жизни нам кажется, что свет распространяется мгновенно. На самом деле ещё в 17 веке астроном Олаф Рёмер, изучая затмения на Юпитере, предположил, что скорость света имеет конечное значение. Достаточно точно значение скорости распространения света в вакууме измерил Майкельсон в 1926 году. Если не требуется высокая точность измерений, можно считать, что скорость света равна 3*108 м/с.
Скорость света считается фундаментальной величиной в физике и обозначается латинской буквой с.
Скорость распространения света в вакууме — это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий в природе.
Это означает, что ни одно тело и ни одно взаимодействие во Вселенной не может распространяться в пространстве со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.
Интересно, что свет ведет себя при распространении как волна (волновые свойства), а при излучении и поглощении – как частица (со всеми свойствами частиц). То есть свет имеет двойную природу и может быть, как волной, так и частицей. До сих пор учёные спорят на этот счёт.
Свойства света.
1.Мощность излучения.
Световой поток — физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения, оцененную с позиции его воздействия на зрительный аппарат человека. Мощность излучения определяется в ваттах (Вт).
2.Отражение — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью. Это изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, когда волна возвращается в среду, из которой она пришла. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн.
От точечного источника света на границу раздела падает световой луч. Часть этого луча пройдет внутрь следующей прозрачной среды, а часть отразится. В данном случае отражением можем назвать такое явление, при котором часть падающего светового луча отражается, т. е. возвращается в ту же среду, из которой свет упал на границу раздела.
Законы отражения.
Угол падения луча равен углу отражения луча.
Зеркальное отражение – это отражение, когда все лучи, упавшие на данную поверхность параллельно друг другу, также отразились.
Как раз это свойство света мне особенно помогло в моем исследовании.
3.Преломление света.
Преломление света – это явление изменения направления движения светового луча при переходе из одной среды в другую. Различные среды, пропускающие свет, имеют различную оптическую плотность. Скорость света в них различна.
Законы отражения и преломления света обусловливают многие явления в нашей жизни. Именно благодаря им мы видим мир таким, каков он есть.
1.3. Можно ли увидеть звук
Звук, который мы слышим, представляет собой упругие колебания окружающей воздушной среды. Звуковые волны не видны человеческому глазу, но они заставляют вибрировать предметы, которые нас окружают. При определенных условиях эти колебания можно заметить. Так, если заставить колебать звук что-то видимое, например, луч света, то можно будет наблюдать малейшие перемещения акустических волн в воздухе. Такой метод называется акустической голографией и был придуман в середине ХХ века венгеро-британским ученым Денешем Габором.
Родоначальником же звуковой визуализации стал немецкий физиолог Ричард Эвальд. Он исследовал трансформацию механической энергии звуковых колебаний в нервное возбуждение, пытаясь объяснить, как формируется «звуковая картина». И первым предположил, что при воздействии звука на слух в ушной улитке образуются так называемые стоячие волны. Их длина определяется частотой звукового колебания.
Ученый исследовал ушную мембрану с помощью акустического приемника из решетки с микрофонами и оптической камеры. Эвальд получил первый в мире визуальный образ звука в виде фигур Хладни — акустическую голограмму.
Рис. 6. Фигуры Хладни.
ГЛАВА 2. Практическая часть
2.1. Эксперимент
Для проверки гипотезы, я решил сделать аналог простейшей акустической камеры и попытаться спроецировать изображение звуковых волн на стену с помощью простой лазерной указки.
Лазерная указка — портативное устройство, генерирующее узконаправленный луч лазера в видимом световом диапазоне. В большинстве случаев она изготавливается на основе лазерного светодиода, который излучает в диапазоне 473 — 650 нм.
Лазерные указки делятся по цвету в соответствии с длиной волны:
Я использовал указку красного света, с длиной волны от 635 до 671 нанометров.
Вот что мне потребовалось для опыта:
-
лазерная указка
-
скотч
-
бумажный стаканчик
-
пищевая пленка
-
кусочек зеркала
-
нож
Для того чтобы «поймать» звук с помощью света я взял кусочек пищевой пленки, натянул её на горлышко стаканчика, зафиксировал резинкой. Отрезал дно у стаканчика, а в центр плёнки, с помощью клея наклеил кусочек фольги. Далее закрепил напротив лазерную указку, так чтобы лазерный луч отражался от фольги и попадал на стену. Затем поставил динамик телефона рядом со стаканчиком, со стороны отрезанного края (Рис.7). Все элементы зафиксировал скотчем.
Таким образом, мембрана улавливает звуковые волны от издаваемой музыки, малейшие движения передаются на нее, и лазер, отражаясь от фольги, проецирует вибрацию на стену в виде изменяющегося луча (Рис.8).
Рис. 7. Фото прибора.
Рис. 8. Фото изменяющегося луча под воздействием звуковой волны
2.2. Выводы
Моя гипотеза о том, что звук можно увидеть подтвердилась. Мне удалось с помощью смоделированного прибора зафиксировать и наглядно увидеть изменения в отраженном свете от лазерной указки на стене. Но хочу, отметить, что в этом опыте видна не сама звуковая волна, а только те возмущения, которые она создает на мембране из пищевой пленки. Точно такие же возмущения создаются в нашем ухе на барабанной перепонке. Перепонка передает их к молоточку, который бьет по наковальне. Далее через систему каналов, наполненных жидкостью, отправляет их в мозг в виде электрических импульсов.
Исследовательская работа позволила получить мне новые навыки проектной работы. Мне было интересно изучать такие физические явления как свет и звук, делать прибор и проводить опыт. Возникло желание продолжить исследовать эту тему глубже и возможно провести другие опыты, например, получить визуальный образ звука в виде фигур Хладни. А также, исследовать особенности практического применения акустической голографии.
Список литературы
-
А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41.
-
Кикоин А. К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28.
-
Элементарный учебник физики. Под ред. Г. С. Ландсберга. Т. 3. – М., 1974.
-
https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/9/osobennosti-rasprostraneniya-zvuka-v-razlichnyh-sredah
-
https://studopedia.ru/26_68784_teorii-perifericheskogo-analiza-zvuka.html