Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лучановская средняя общеобразовательная школа» Томского района

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Лучановская средняя общеобразовательная школа»
Томского района
Исследование звуковых волн
методом визуализации при
помощи ПК.
Выполнил : Кашин Евгений
ученик 9 класса
Руководитель: Цвенгер Е.И.
с. Лучаново,2009г
Актуальность:
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.
Позволит ли визуализация звука , при помощи компьютера глубже
проникнуть в природу звука, исследовать и проанализировать его
характеристики?
Цель:
Исследовать звуковые волны, используя визуальный метод ,
сравнить и проанализировать их физические характеристики.
Задачи:
1. Изучить теоретические представления о звуке:
 Что такое звук. Звуковые явления.
 Источники звука.
 Распространение звука.
 Приёмники звука.
 Физические характеристики звука – скорость, высота,
громкость, тембр.
2. Разработать и поставить эксперимент по изучению характеристик
звука , издаваемого музыкальным инструментом (фортепиано),
используя метод визуализации при помощи персонального
компьютера.
3. Разработать способ обработки полученных данных.
4. Проанализировать полученные результаты, сделать выводы.
I.
Введение.
Сегодня визуальные методы проведения важных для нас
ежедневных измерений общеизвестны. Спидометр в автомобиле,
термометр за окном, часы на руке позволяют нам «видеть» столь
необходимые в нашей жизни характеристики меняющихся событий и
явлений. Эти приборы улавливают изменение некоторых величин и
передают его на циферблат, где оно становится «видным» и нам
благодаря стрелке-указателю. Это помогает понять, что происходит, а в
ряде случаев позволяет тщательно проанализировать те или иные
тонкости данного явления .
Поэтому визуальное изучение звуковых волн позволит глубже
проникнуть в природу этого явления.
I I . Что такое звук?
Звук – волнообразно распространяющееся колебательное
движение частиц упругой1 среды (воздуха, воды и т. д.).
Звуком
обозначается
также
специфическое
ощущение,
вызываемое действием звуковых волн на орган слуха. Ощущение звука
возникает лишь при условии, что частоты и энергии, воздействующих
на орган слуха колебаний, лежат в определённых границах слухового
восприятия. Человеческое ухо воспринимает звук в области частот от
15-20 000 Гц. Колебания с частотами, лежащими вне этих границ,
неслышимы, то есть не вызывают слуховых ощущений. Физическое
понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые
колебания упругих сред; неслышимые колебания с частотами ниже 20
Упругая среда– свойства тел изменять свою форму и объём (твердые тела) или только
объём (жидкие и газообразные тела) под влиянием физических воздействий (например,
внешних сил), обусловливающие возникновение внутренних сил, и восстанавливать
первоначальное состояние после прекращения этих воздействий.
1
гц называется - инфразвук, а колебания с частотами выше 20 кгц –
ультразвуком. Одной из важнейших физических характеристик звука
является акустический спектр звука (совокупность гармонических
колебаний). Распространяется звук в виде волн. От источника звука
в среде возникают сгущения и разряжения (вызванные колебаниями
источника и распространяющиеся благодаря возникновению упругих
сил).
Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т.е.
источники звука, колеблются.
Различные опыты свидетельствуют о том, что 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.
Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником
звука. Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный
на нити или пружине.
Источники звука
Источниками звука являются тела или системы тел, движения
которых относительно окружающей среды периодически или
импульсивно (резко) нарушают её равновесное состояние. Их можно
разделить на следующие основные типы источников звука:
1.
2.
3.
4.
Колебательные и автоколебательные системы.
Источники звукового вращения.
Источники вихревого звука
Электроакустический источник звука.
Колебательные и автоколебательные системы
Устройства, в которых возбуждаются либо затухающие
собственные колебания, либо не затухающие автоколебания,
поддерживаемые работой какого-нибудь источника энергии. К этому
типу относятся все музыкальные инструменты и человеческий голос.
Голосовой аппарат человека – сложная автоколебательная система; её
основными частями являются лёгкие с дыхательными путями (бронхи,
трахея), гортань с голосовыми связками и совокупность резонаторов
(глотка, носоглотка, рот и нос). В некоторых случаях источник звука
представляет собой электромеханическую систему, в которой
автоколебания
поддерживаются
энергией
источника
тока
(электрический звонок, электрические сигналы на транспорте).
Источники звукового вращения
Звуковым вращением - называют периодическое изменение
давления и скорости среды, вблизи вращающихся тел (винт самолёта,
гребные винты корабля).
Источники вихревого звука
Вихревым звуком называют звук, возникающий при обтекании
твердых тел постоянным потоком среды вследствие периодического
отрыва вихрей (свист растяжек самолета или корабельных снастей,
звучание проводов обдуваемых ветром, и т. п.).
Электроакустические источники звука.
Электроакустические
излучатели
–
электроакустические
преобразователи предназначены для преобразования электрических
колебаний звуковой и ультразвуковой частоты в вынужденные
механические колебания. Электроакустические источники звука
применяются либо для воспроизведения речи и музыки, либо для
генерирования акустических сигналов.
Распространение звука
Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их
источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Сжатие и
разрежение
воздуха
(вызванные
колебаниями
источника
и
распространяющиеся благодаря возникновению упругих сил) достигают
нашего уха и приводят барабанную перепонку в колебательное
движение. В результате у нас возникают определённые звуковые
ощущения.
Таким образом, воздух служит передающей средой, т. е.
веществом, в котором звук распространяется от источника к
приёмнику, в частности к нашему уху.
Если между источником и приёмником удалить упругую
звукопередающую среду, то звук распространяться, не будет и,
следовательно, приёмник не воспримет его.
Хорошо проводят звуки упругие
металлы, древесина, жидкости газы.
вещества,
например
Жидкости хорошо проводят звук. Рыбы, например, хорошо слышат
шаги, и голоса на берегу, это известно опытным рыболовам. Мягкие и
пористые тела – плохие проводники звука.
Итак, звук распространяется в любой упругой среде –
твердой, жидкой и газообразной, но не может распространяться в
пространстве, где нет вещества.
Приёмники звука
Приёмники звука – устройства, в которых под действием звука
возникают вынужденные колебания. Приемником звука является, в
частности,
ухо.
Для
технических
целей
применяются
электроакустические приёмники – устройства, преобразующие
колебания упругой среды в электрические колебания, в зависимости от
среды, в которой распространяется принимаемые звуки, в воздухе;
гидрофоны, работающие в воде и геофоны, реагирующие на звуковые
волны в земной коре.
Характеристики звука
Одной из важнейших физических характеристик звука является
акустический спектр звука. Общим для всех звуков является то, что
порождающие их тела, т.е. источники звука, колеблются.
Характеристики звука делятся на: частоту, громкость, скорость, тембр.
Громкость звука
Громкость (интенсивность) звука – это субъективное качество
слухового ощущения. От чего зависит громкость звука? Она зависит от
амплитуды колебаний давления: чем больше амплитуда колебаний,
тем громче звук.
Громкость звука зависит также от его длительности и от
индивидуальных особенностей слышать.
Нужно, однако, иметь в виду, что чувствительность нашего уха
зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд не
кажутся нам одинаково громкими, если частоты их различны. Наше ухо
наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц.
Высота звука
Высота звука (точнее, высота тона) определяется частотой колебаний.
«Окраска» каждого отдельного звука строго зависит от движения,
благодаря которому он возникает. Так, если колебательное движение
происходит чрезвычайно быстро, звук содержит колебания высокой
частоты. Менее быстрое колебательное движение создает звук более
низкой частоты. Частота, с которой повторяются колебания, измеряется
в герцах (или циклах в секунду); Надо сказать , что именно частота
является тем свойством, которое позволяет нам отличать один звук от
другого.
Для того чтобы определить, с чем связана определенная высота звука,
нужно располагать несколькими источниками . Сравнивая звуки,
издаваемые ими можно заметить, что, чем выше звук, тем меньше
период и следовательно, тем больше частота колебаний звука.
Скорость звука
Известно, что звук распространяется в пространстве только при
наличии какой-либо упругой среды. Среда необходима для передачи
колебаний от источника звука к приемнику, например к уху человека.
Другими словами, колебания источника создают в окружающей его
среде упругую волну звуковой частоты. Волна, достигая, уха,
воздействует на барабанную перепонку, заставляя ее колебаться с
частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожание
барабанной перепонки передаются посредством системы косточек
окончанием слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущения
звука.
В газах и жидкостях могут существовать только упругие
продольные волны. Звук, например в воздухе, передаётся
продольными волнами, т.е. чередующимися сгущениями и
разрежениями воздуха, идущими от источника звука.
Звуковая волна, как и любые другие механические волны,
распространяется в пространстве не мгновенно, а с определенной
скоростью. Простейшие наблюдения позволяют убедиться в этом.
Например, когда мы издалека наблюдаем за стрельбой из ружья, то
сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук
выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое
звуковое колебание. Измерив, промежуток времени между моментом
возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он
доходит до уха, можно определить скорость распространения звука.
Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 0 0С и
нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с.
Скорость звука в газах тем больше, чем выше их температура.
Например, при 20 0С скорость звука в воздухе равна 343 м/с, при 60 0С –
366 м/с, при 100 0С – 387 м/с . Объясняется это тем, что с повышением
температуры возрастает упругость газов, а чем больше упругие силы,
возникающие в среде при её деформации, тем быстрее передаются
колебания от одной точки к другой.
Скорость звука зависит также от свойств, среды, в которой
распространяется звук. Например, при 0 0С скорость звука в водороде
равна 1284 м/с, а в углекислом газе – 259 м/с. В настоящее время
скорость звука может быть измерена в любой среде.
Скорость распространения звуковых волн в разных средах
неодинакова. Медленнее всего звук распространяется в газах. Именно
поэтому гром сильно запаздывает после вспышки молнии. Если гроза от
нас далеко, то раскат грома можно услышать даже спустя 10-20 секунд.
Тембр
Тембр – качество звука, по которому различаются тоны одной и
той же высоты и благодаря которому звучание одного инструмента или
голоса отличается от другого. Тембр звука, называемый иначе окраской
звука, зависит от формы колебаний. «Окрашенный» звук можно
представить как сумму простых синусоидальных колебаний (гармоник)
с кратными частотами (например, 100, 200, 300, 400 герц и т. д.) и с
разными амплитудами. Фактически тембр определяется числом и
интенсивностью составляющих гармоник, или так называемым
спектральным составом звука. На тембр низких звуков влияют до 20 и
более гармоник, средних около 8 – 10, высоких 2 – 3. Влияние на тембр
оказывают материал звучащего тела и способ его извлечения.
Чистым тоном называется звук источника, совершающего
гармонические колебания одной частоты.
Самая низкая (самая малая) частота такого сложного звука
называется основной частотой, а соответствующий ей звук
определенной высоты – основным тоном (иногда его называют просто
тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его
основного тона.
В произвольном случае звуковых колебаний вместе с основным тоном
возбуждается много различных обертонов. Частоты всех обертонов
данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона
(поэтому их называют также высшими гармоническими тонами).
Тембр звука определяется числом обертонов и их амплитудами.
Это такое качество тембра, которое позволяет нам отличать звуки одних
источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля
от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую
высоту, т. е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие же этих
звуков обусловлено разным набором обертонов (совокупность
обертонов различных источников может отличаться их количеством, их
амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот).
III. Содержание и метод выполнения
работы
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ : ЗВУКИ ФОРТЕПИАНО.
ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ:
1. Термометр для измерения температуры в комнате;
2. Музыкальный инструмент- фортепиано;
3. Микрофон;
4. Компьютер.
Для определения параметров звука издаваемыми фортепиано
необходим приемник. Человеческое ухо можно рассматривать в
качестве приемника, но слух человека это субъективный приемник и
зависит от качества слухового ощущения.
Чтобы сделать звуки, издаваемые фортепиано не только слышимыми,
но и видимыми, нужен прибор, который может преобразовывать
воздействия этого явления в видимую картину. Для того чтобы видеть
звук, используем электронный прибор — микрофон. Этот прибор
фиксирует переменное давление проходящей звуковой волны и
преобразует его в переменный электрический ток. Так, микрофон
преобразует звуки в электрические сигналы, которые передаются на
компьютер. Громкий звук микрофон преобразует в сильный
электрический сигнал, а тихий — в слабый.
Электрический сигнал микрофона можно увидеть с помощью
компьютерной программы «Звукозапись». Источник испускает звук,
который через микрофон фиксируется компьютером. Сравнивая
синусоидальные изображения звуковых сигналов можно определить и
рассчитать акустические параметры звука
Порядок выполнения работы
1.С помощью термометра определяем температуру в комнате.
T=22ºС
2. При помощи ПК и подключенного к нему микрофона зафиксируем
синусоиду звуковых волн.
Эксперимент №1. Сравним параметры одного звука , воспроизведенного
сначала тихо, а потом громче (Приложение 1):
 Звук «До» ( рис. 1) обычным нажатием на клавишу.
 Звук «До» (рис.2), но более жестко.
Сравнивая полученные картины видно, что в 20 клетках укладывается
одинаковое количество колебаний , их 3 – это значит что период звука
одинаков в обоих случаях и следовательно частота звука будет
одинакова, т.к. эти характеристики имеют обратно пропорциональную
зависимость (ν=1/Т), а амплитуды колебаний отличаются: на рисунке 2
она больше , чем на рисунке 1.
Тоже самое можно наблюдать, если тем же способом произвести звуки
«Си» той же октавы (рис.3) и (рис.4).
Сравнивая полученные картины видно, что в 20 клетках
укладывается одинаковое количество колебаний , их 10,5 – это значит
что период звука «Си» одинаков в обоих случаях и следовательно
частота звука будет одинакова. Амплитуда колебаний на четвертом
рисунке больше амплитуды колебаний на третьем рисунке.
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод: звук
«До» в обоих случаях одной частоты и «Си» в обоих случаях одной
частоты, это говорит о том , что высота звука , зависящая от частоты не
меняется. Различие амплитуд звуковых колебаний говорит о том, что
менялась громкость звука.
Эксперимент №2. Произведем и запишем звук «Си» другой октавы
(рис.5) и сравним с (рис.3) по частоте.
Сравнивая рисунки видно, что частота ранее записанного звука «Си»
меньше чем записанного позже. Это говорит о том , что высота звука в
первом случае ниже, чем высота звука во втором.
Эксперимент №3. Увеличим и сравним записи звуков «До», «До-диез»,
«Си» одной октавы и «Си» другой (более высокий звук)(рис.9) на
присутствие дополнительных тонов ( обертонов). На развертках
обертоны выглядят как отклонения от частоты основного тона.
Сравнивая визуальные картины звуков видно, что отклонений от
основного тона у звука «До» больше чем у других звуков, т.е. большее
количество обертонов- это говорит о том, что этот звук богаче,
музыкальнее.
Изучая проблему визуализации звука, проводя исследование и
качественный анализ характеристик звуковых волн, появилось ряд
проблем, требующих дальнейшего исследования, а именно:
1. Можно ли использовать компьютер не только в качестве
регистрирующего устройства, но и для расчета физических
параметров преобразованных звуковых волн.
2. Можно ли использовать компьютер для изучения свойств звука,
таких как: распространение, дифракция, интерференция, резонанс.
Х. Заключение
Для современного развития науки, и в частности физики,
характерно, что наряду с созданием и бурным развитием ее новых
направлений стремительный толчок получают и старые, традиционные
области. К существующим в настоящее время «горячим точкам» физики
относятся и некоторые разделы акустики.
Круг проблем, рассматриваемых сегодня акустикой, весьма
существенно отличается от того, что являлось предметом исследований
ЗО—40 лет назад. Наряду с такими традиционными проблемами, как
музыкальная акустика в исследованиях прочное место заняли и
совершенно новые проблемы: распознавание звуковых образов,
акустическая голография, акустооптика, нелинейная акустика,
квантовая акустика, молекулярная и прикладная ультраакустика,
акустика океана, геоакустика, аэротермоакустика , акустика
эхолоцирующих животных, воздействие шумов и вибраций на человека,
медицинская акустика и т. п. Звук, может излучаться предметом,
отражаться от него, проходить сквозь предмет с различной степенью
поглощения и создавать звуковые изображения предмета. Видимый
звук в этом случае — это воспроизведенное звуковое изображение
предмета. Проблема визуализации звукового изображения имеет
чрезвычайно важное практическое значение, так как звук может хорошо
распространяться в различных средах.
Итак, одна сторона изучения звука заключается в визуализации
звуковых изображений предметов, а другая — в визуализации явлений,
связанных с распространением звука. Визуализация распространения
звука позволяет хорошо иллюстрировать и представлять в виде
моделей волновые процессы, характерные и для звука.
Техника визуализации звуковых изображений достигла
сравнительно высокого уровня. Наряду с различными устройствами
визуализации звуковых волн широкие перспективы имеет методика
восстановления изображения звука при помощи компьютерных
технологий. Основным достоинством этого метода является
возможность проводить комплексную обработку изображения звука.
Визуализация звуковых изображений имеет широкое практическое
применение:
 Устройства типа звуковых локаторов синтезирующих звук в
видимое изображение. Они используются для видения под водой, в
медицинской диагностике;
 Акустическая голография используется для оптической обработки
информации с целью улучшения качества изображения;
 Используется для различимости мелких деталей, дефектов швов
при электросварке, деформации поверхности, пористости
материалов;
 Применяется в системах подводного видения (гидроакустические
локаторы).
Приведенные примеры ясно показывают широкие возможности
практического применения методов визуализации звука.
Видимый звук оказывается не только мощным инструментом
познания явлений природы, но и эффективным средством технического
прогресса.
ХI. Литература
1. Тарасов Л.В. Современная физика в средней школе.
2. Кок.У Видимый звук.
3. Анциферов Л.И. Практикум по методике и технике школьного
физического эксперимента.
4. Энциклопедия для детей. Физика ,Том 2.