XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физические свойства звука и области их применения (на примере резонанса и поглощения)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Нашу жизнь трудно представить без звуков. Разные звуки окружают нас: человеческая речь, музыка из радиоприемника, звуки издают животные, автомобили, электроприборы и др. Одни нам нравятся и благотворно влияют на наше настроение. Например, мы ходим на концерты, чтобы послушать любимых исполнителей и насладиться приятными мелодиями. Или выезжаем на природу послушать звуки моря, леса. Другие звуки мешают, раздражают. Если ваш дом стоит у проезжей части, то и днем, и ночью вы будете ощущать шум автомобилей.
Меня заинтересовал вопрос, что представляет собой звук и как им можно управлять – усиливать приятное звучание и избавляться от посторонних ненужных звуков. Исследование поможет найти ответ.
Мое исследование актуально, так как все мы предпочитаем избегать неприятных мешающих звуков и, наоборот, наслаждаться гармоничным звучанием.
Моя гипотеза следующая: считаю, что если знать о свойствах звука – резонанс и звукопоглощение, ими можно научиться управлять.
Объект исследования – звук как физическое явление.
Предмет – свойства звука (резонанс и поглощение) и области их применения.
Цель работы – выявить, как и в каких сферах используются свойства звука – резонанс и поглощение.
Для достижения цели мне предстоит решить следующие задачи:
- определить, что такое звук и каких видов он бывает;
- охарактеризовать, как ведет себя звук в разных средах;
- опытным путем проверить, как проявляются свойства звука: резонанс, поглощение;
- выявить, в каких современных сферах применяются свойства звука резонанс и поглощение.
Работая над исследованием, я использовал методы анализа, синтеза, описания, опыта, наблюдения.
Источники исследования – данные опытов и наблюдений по обнаружению свойств звука (резонанса и поглощения).
Работая над теоретической частью я опирался на статьи из энциклопедии «Кругосвет» [4], журнала «Вокруг света» [8], научную литературу – книги Д. Бруно «Физика в играх» [2], И. И. Клюкина «Удивительный мир звуков» [6], статьи «В мире звуков» [1], «Физика звука» [3], «Основы распространения звука» [7]. Опыты для проведения практической части я отобрал из книги «365 научных экспериментов» [9].
Практическая значимость исследования заключается в том, что его результаты можно представить на классном часе и рассказать одноклассникам, как можно управлять звуком.
Исследовательская работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и источников, приложения.
Глава 1. Звук как физическое явление.
Звук и его виды.
Звук окружает нас повсюду. Даже, находясь в тишине, мы можем слышать, как работает холодильник, щебечут птицы, пролетает самолет. Звук могут издавать разные предметы. Поэтому по источнику звука их делят на категории: музыкальные (гитара, скрипка), шумовые и звуки без фокусированной высоты (вентилятор, звуки работы компьютера) [5].
Что же такое звук? Звук – это механические колебания, распространяющиеся в любой упругой среде [1]. Ученые выяснили, что звук имеет волновую природу. Представить, как он выглядит можно по аналогии с брошенным в воду камнем. От него на поверхности расходятся круги. Доходя до берега, они начинают обратное движение. Также действует и звук.
Почему человек слышит звук? Органом слуха у человека является ухо. Сначала звук попадает в наружное ухо, затем в улитку, а она передаёт сигнал в мозг [3]. Но есть звуки, которые наша барабанная перепонка не улавливает. К ним относятся ультразвук и инфразвук. Ультразвуком называют звуковые волны, частота колебаний которых выше 20 кГц. Звуковые волны, частота которых ниже 20 Гц, называют инфразвуком [8].
Каждый звук характеризуют такие признаки, как частота, амплитуда, скорость. Частота – это количество колебаний за единицу времени. Измеряется в Герцах. Скоростьзвука – скорость распространения упругих волн в среде. Измеряется в метрах в секунду. Амплитуда показывает, насколько сильно колеблющаяся среда отклоняется от своего «спокойного» состояния; именно она отвечает за громкость звука [4].
Так, звук громкостью выше 130 дБ (децибел) вызывает болевые ощущения, а звуковую волну с частотой 30 кГц человек вообще не услышит.
Таким образом, я выяснил, что звук – это волна. Она образуется в результате колебания молекул в упругой среде (воздух, вода). Звуковые волны могут издавать как живые существа (животные, насекомые, люди), так и музыкальные инструменты, предметы, изобретения человека (различные приборы), явления природы. Но человек слышит не все звуки. Ухо человека способно воспринимать звук от 16 Гц до 20 кГц.
Поведение звука в разных средах.
Как я выяснил, звук – это механическое колебание в упругой среде, то есть среде, состоящей из каких-то частиц. Интересно узнать, одинаково ли в них поведение звука.
Сначала я решил выяснить, какими бывают среды. Мы живем в воздушной среде, состоящей из частиц газов. В ней мы хорошо слышим звук потому, что воздух состоит из частиц, которые находятся рядом. В космосе нет частиц, поэтому нет и звука. Громкость звука зависит от его амплитуды. Скорость распространения звука в воздухе составляет при нормальных условиях температуры и влажности составляет примерно 331,5 м/с. [7]
Но есть среды, в которых звук распространяется быстрее. Например, в воде скорость звука 1500 м/с. Он распространяется быстрее, так как частицы расположены плотнее друг к другу, чем в воздухе.
Если говорить о твёрдых средах, то в бетоне скорость распространения равна 4000 м/с, так как частицы там расположены еще плотнее, чем в воде. У дерева это значение может быть разным – 3400-4500 м/с, потому что плотность у дерева может быть различная [7].
В космосе звук отсутствует, так как там вакуум и частиц нет, соответственно и нет звука
Можно также вести речь о вакуумной среде. Из-за того, что в ней отсутствуют частицы, колебание от издаваемого звука становится невозможным. Поэтому если поместить в стеклянную колбу будильник и выкачать из нее весь воздух, его звон не будет слышим [6].
Такие материалы, как дерево, металл, бумага, бетон и др. также можно считать средами. В зависимости от вида среды скорость распространения в ней звука будет меняться.
Трудно представить себе пустое воздушное пространство. Все мы живем в домах, работаем в зданиях, учимся в школах. Повсюду нас окружают стены, предметы. И они конечно влияют на звук. В комнате без мебели звук будет отражаться от стен, а в комнате с мебелью частично поглощаться этой мебелью. А в комнате с коврами звук также не будет отражаться полностью, потому что ковер частично его поглотит.
В пустых помещениях, в горах, в соборах звук отражается многократно. Мы можем слышать эхо. Это связано с таким свойством звука, как резонанс. Резонанс – это способность усиливать звук, свойственная помещениям, стены которых хорошо отражают звуковые волны.Резонанс аналогичен раскачиваемым качелям. При каждом следующем отталкивании происходит увеличение амплитуды [4].
В первой главе я узнал, что звук имеет волновую природу, свободно распространяется в пространстве, состоящем из частиц, и не распространяется в вакуумном пространстве. Скорость распространения звука зависит от природы частиц. Звук постоянно встречается с какими-либо препятствиями. Поведение звука следующее: частично он ими поглощается, отражается и проходит через препятствие. Степень отражения и поглощения будет зависеть от свойств самого материала.
Глава 2. Применение свойств звука в современном мире на примере резонанса и звукопоглощения
2.1. Исследование свойств звука: резонанс и поглощение.
Во второй главе я решил наглядно обнаружить и исследовать свойства звука – резонанс и поглощение. Для этого я провел несколько опытов.
Для опыта № 1 я взял 2 хрустальных бокала и воду. Поставил на стол два бокала. Провел пальцем по краю одного бокала. Ничего не произошло.После этого я смочил палец водой и начал проводить по краю бокала без остановки. Бокал стал издавать звук. Это наблюдение подтверждает существование свойства звука резонанс. Звук, образуясь, ударяется о стенки стакана и возвращается к другой стенке, словно шарик для пинг-понга. Это происходит до тех пор, пока я вожу пальцем по стенке. Посмотрим, что будет, если налить в стакан воды и повторить опыт. От количества воды в стакане его тон меняется: чем больше воды – тем ниже тон. Поэтому если воды в стакане нет, то он будет самым громким. (Приложение, фото. 1)
Для подтверждения наличия резонанса я провел опыт №2, который называется «Музыкальные бутылки». Для этого я взял стеклянные бутылки и налил в них разное количество воды, взял деревянную палочку и начал стучать по ним. Из горлышек бутылок выходил звук: из бутылок с маленьким количеством воды высокий, а там, где было много воды – низкий. Этот опыт аналогичен первому: внутри бутылки появляется резонанс, звук ударяется о стенки бутылки и отражается от них. (Приложение, фото. 2)
Для того, чтобы обнаружить такое свойство звука, как поглощение, я провел ряд наблюдений. Для первого наблюдения я находился в одной комнате, а мама – через стенку от меня. Дверь в комнату была закрыта. Я попросил маму говорить шепотом. В это время я не слышал ее. Звук отражался в ее комнате и частично поглощался стеной. Когда мама увеличила громкость голоса, часть звука отразилась, часть поглотилась стеной, а часть дошла до меня. Так я выяснил, что слышимость и поглощаемость звука зависит, в том числе от его громкости.
Затем мы проделали это же наблюдение, находясь в разных концах меблированной комнаты, а затем в пустом холле подъезда. В большом пустом холле подъезда мамин голос звучал громче и отражался от стен. В жилой комнате голос звучал иначе, тише и «мягче», так как часть звуковых волн поглощалась предметами обстановки. Таким образом, я выяснил, что звук поглощается разными веществами. Одними лучше. Другими хуже. Проходимость звука также зависит также от его громкости (амплитуды), размера помещения, наполнения (мебели) помещения.
Проведя опыты и наблюдения, я смог увидеть, как проявляются резонанс и поглощение как свойства звука.
2.2. Современные сферы применения свойств звука: резонанса и поглощения.
Для проверки гипотезы, далее я изучил, в каких сферах сегодня используются свойства звука резонанс и поглощение, всегда ли люди могут ими управлять.
Существует наука акустика, она изучает акустические свойства разных сред, акустические характеристики разных предметов, явлений. Она нашла широкое применение в разных отраслях.
Например, есть атмосферная акустика, геоакустика и гидроакустика. Они занимаются изучением распространения звука в естественных средах. Гидроакустическая аппаратура применяется для навигации, рыбного промысла, поиска полезных ископаемых на дне морей и океанов, звукоподводной связи и т. д. Используется для систем прогноза и предупреждения землетрясений, волн цунами, тайфунов и т. д. Акустические волны все больше применяются для зондирования атмосферы с целью выявления ее загрязнений промышленными выбросами [7].
Также акустика применяется для обнаружения внутренних дефектов, при контроле над ходом технологических процессов и экспериментов. В медицине все шире используется акустическое оборудование для диагностики и исследования внутренних органов, устранения опухолей, локального нагрева внутренних тканей и т. д. [4].
Одна из древних сфер применения акустических свойств звука – архитектурная акустика.
Знание акустических явлений в помещениях находило иногда самое необычное применение. До наших дней дошли так называемые «шепчущие галереи» Древнего Рима и Китая. В них, благодаря умело расставленным и особым образом ориентированным отражающим поверхностям стен, тихие звуки распространялись на большие расстояния, и люди, удаленные друг от друга на десятки метров, могли общаться, не напрягая голоса ли подслушивать других [6].
Античные знания об акустике помещений нашли практическое применение при сооружении культовых зданий средневековья. В католических храмах создавалось впечатление музыки, льющейся с небес. Это достигалось благодаря использованию особых архитектурных форм и продуманному расположению духового органа и хора. Своеобразными акустическими эффектами отличались и православные храмы. Голоса священника и певчих отражались от купольной части сооружения вниз, к молящимся, и у них возникало ощущение общения с небом. Для создания желаемой акустической среды строители закладывали в стены и своды храмов глиняные кувшины разных размеров, так называемые «голосники». Это были своеобразные акустические резонаторы. Раньше при постройке храма или театра зодчие учитывали свойства резонанса и поэтому зрителям все было хорошо слышно [6].
Другое свойство звука – поглощение также применяется в разных сферах.
Студия звукозаписи нужна для качественной записи звука, в ней не должно быть эха, посторонних шумов. Для шумоизоляции помещения используют звукопоглащающий, пористый (не плотный) материал с большой площадью поверхности, чтобы убрать все ненужные звуки.
В открытом городском пространстве можно управлять уровнем шума используя, например, экраны, отражающие шум от автомобильной дороги, который воздействует на рядом стоящие жилые дома. Полосы деревьев, высаженные вдоль дорог также являются шумопоглотителями.
Таким образом, я выяснил, что такие свойства звука, как резонанс и поглощение широко используются человеком в разных сферах, в том числе в архитектуре, строительстве, градостроительстве. Человек научился управлять этими свойствами и использовать их направленно. Они необходимы для нашей жизни. И кто знает, какие еще идеи по их применению возникнут у ученых!
Однако в истории существовали случаи, когда неучтенный резонанс приводил к трагедиям и человеческим жертвам. Так 1 июля 1940 г. в Вашингтоне (США) был открыт мост Такома-Нэрроуз. Это был подвесной мост, третий по величине в мире для своего времени. Всего через четыре месяца эксплуатации мост рухнул во время сильного ветра. Одной из причин этого происшествия признали резонанс. Одним из первых зафиксированных случаев такого рода стало обрушение Броутонского моста в Англии в 1831 г., когда 74 солдата шли по мосту в ногу, 20 из них пострадали при падении в воду, а в армии появилась команда «идти не в ногу», применявшаяся при пересечении мостов, особенно подвесных, в большей степени подверженных резонансу [8].
Какой вывод я сделал из этого: звуковой резонанс очень важно учитывать при строительстве любых сооружений. Гипотеза, выдвинутая мной в начале исследования подтвердилась, но частично. Человек научился управлять и резонансом, и поглощением звука. Но в ситуациях, когда эти свойства учитываются халатно, не полностью, они могут нанести вред.
Заключение
В данном исследовании я изучал свойства звука – резонанс и поглощение.
В первой главе рассмотрел основные свойства звука как физического явления. Выяснил, каких видов бывает звук, какие частоты слышит человек, какой звукопроводимостью обладают разные материалы или среды. Оказалось, что в зависимости от вида среды, то есть плотности расположения частиц друг к другу, скорость распространения в ней звука будет меняться. Также влияние оказывают такие свойства, как резонанс и поглощение. О них мы можем вести речь, когда звук встречает препятствие. Например, внутри жилого дома, в горах и т.д.
Во второй главе я опытным путем обнаружил свойства звука резонанс и поглощение. Проведя опыт с хрустальными бокалами и «Музыкальные бутылки» наглядно увидел: звук отражается от стенок-препятствий и резонирует, отскакивая, словно мячик для игры в пинг-понг. Наблюдения за звуком также показали, что важную роль в его распространении играет амплитуда, расстояние, плотность препятствия.
Далее я выяснил, как раньше и в современное время люди используют резонанс и поглощение. Охарактеризовал сферы применения: архитектурная акустика, геоакустика, гидроакустика. Поглощение учитывается при постройке домов, в городской застройке, студиях звукозаписи и др.
Узнав все это, я пришел к выводу, что моя гипотеза подтвердилась, но в то же время частично: зная свойства звука, люди научились строить театры и храмы, концертные залы, где певцам и выступающим не нужно напрягать голос: они поют, а резонанс разносит их звук по всему помещению. Но если не полностью учитывать свойства звука, резонанс, поглощение, это моет привести к трагедиям. Как, например, произошло обрушение Броутонского моста в Англии в 1831 г. от того, что солдаты шли по нему в ногу.
Список литературы
В мире звука // http://www.gpntb.ru/vystavki-v-gpntb-rossii/2018-god/113-chitatelyam/6/5842-v-mire-zvuka.html (дата обращения 11. 12. 2021)
Донат Бруно. Физика в играх // https://fis.wikireading.ru/3110 (дата обращения 10. 12. 2021)
Есипов И. Физика звука // Библиотека «Элемениы» https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435858/Fizika_zvuka (дата обращения 13.12. 2021)
Звук и акустика // Универсальная научно-популярная энциклопедия «Кругосвет» https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ZVUK_I_AKUSTIKA.html (дата обращения 11. 12. 2021)
Звук как физическое явление // https://scask.ru/e_book_p_phis1.php?id=68 (дата обращения 12. 12. 2021
Клюкин И.И. Удивительный мир звуков // https://royallib.com/read/klyukin_i/udivitelniy_mir_zvuka.html#20480 (дата обращения 10. 12. 2021)
Основы распространения звука // http://electrovoice.com.ua/articles.php?id=65 (дата обращения 15. 12. 2021)
Уровень громкости: 10 фактов о звуке // журнал «Вокруг света» https://www.vokrugsveta.ru/article/214700/ (дата обращения 09. 12. 2021)
365 научных экспериментов. – М., 2007. – 366 с.
Приложение. Фото опытов «Обнаружение свойств звука»
фото 1. Опыт с хрустальными бокалами
Фото 2. «Музыкальные бутылки»