XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Звуковые волны
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Свой проект я бы хотел посвятить теме звука. Я выбрал эту тему, так как мне захотелось расширить свои знания в данной теме. Мой проект связан с физикой и информатикой.
Цель проекта: изучение звука и его использования в наше время.
Задачи:
Узнать, что такое звук и изучить его свойства.
Узнать способы его оцифровки.
Рассмотреть работу динамиков и микрофонов.
Сделать самодельный микрофон.
Актуальность: Человек получает порядка 8% всей информации через слух, что говорит о большой важности звука в человеческой жизни. Поэтому я считаю, что данная тема будет актуальна всегда.
Звуковые волны
Звук – это ощущение, которое возникает при попадании в ухо звуковой волны. Звуковой волной является продольная механическая волна, возникающая при механическом колебании и распространяемая в любой среде.
Описывая звук, мы не раз говорим о его высоте, громкости и окрасе. Раз звук – это лишь ощущение, то нужно разобрать, с чем связанны 3 выше описанные характеристики.
Звуковую волну можно описать 5-ю характеристиками это: частота, период, амплитуда, скорость распространения и длина волны. Стоит отметить, что частота и период – это обратные величины. На наше восприятие влияют только 2 характеристики звуковой волны: частота и амплитуда.
Начнём с частоты. Она измеряется в герцах и показывает, сколько раз совершено колебаний за одну секунду. Частота отвечает за высоту звучания - чем она выше, тем выше звучание и наоборот.
Различают 3 частотных диапазонов. С 16 (20) до 150 Гц - низкие частоты, от 150 до 7000 Гц – средние частоты и от 7000 до 20000 Гц – высокие частоты.
Следующая характеристика звуковой волны – амплитуда. Она показывает разность между максимальным и минимальным значением плотности среды, в которой она распространяется. Амплитуда отвечает за громкость звука. Громкость звука – это отражение в восприятии силы звука. Громкость определяет уровень мощности, которая зависит от амплитуды. Ухо воспринимает не мощность, а звуковое давление на барабанную перепонку. Звуковое давление измеряется в паскалях, и оно показывает звуковую энергию, приходящуюся на единицу площади, получаемую от источника, находящегося на расстоянии 1 метр. Для удобства определили уровень звукового давления. Уровень звукового давления - это значение звукового давления, измеренное по относительной шкале, отнесённое к опорному давлению 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости звуковой волны частотой 1 кГц. Он измеряется в децибелах (дБ). Децибелы, в отличие от паскалей, чаще применяются на практике из-за большего удобства. Считается, что человек слышит в диапазоне 0-120 дБ (20 - 20000000 мкПа). Также была разработана ещё одна единица измерения громкости - сон. Шкала сонов является шкалой субъективной оценки, разработана в результате многочисленных тестов испытуемых. Полученные экспериментальным способом оценки показывают, что громкость возрастает как кубический корень из интенсивности звука. 1 сон соответствует громкости чистого тона частотой 1000 Гц с уровнем 40 дБ. При увеличении уровня на каждые 10 дБ значение громкости в сонах удваивается.
Осталась последняя неразобранная характеристика звука – тембр. Тембр – это окрас звучания, позволяющий отличать звуки разных музыкальных инструментов, голосов и др. Тембр звука зависит от, так называемых, обертонов. Обертоны – это призвуки основного звука. Они возникают из-за сложных колебаний тела. Обертоны не перебивают основной тон звука, а лишь дополняют его, добавляя ему окрас.
Свойства звука
Поглощение звука
Поглощение звука – это явление необратимого перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии и, в частности, в теплоту. Характеризуется коэффициентом поглощения. Величину коэффициента поглощения материалов можно посмотреть в различных справочниках. При этом необходимо понимать, что величина коэффициента поглощения зависит от частоты. С повышением частоты она увеличивается.
Отражение звука.
Рисунок 1
Когда звуковая волна достигает какой-то границы в пределах среды (например, падает на стену помещения или переходит их воздуха в воду и т. п.), происходит отражение звуковой энергии. При этом угол падения волны равен углу отражения, а некоторая часть энергии теряется на поглощение, часть проходит через границу в другую среду (рисунок №1).
Отраженные от стен помещения и других предметов звуковые волны определяют акустику концертных залов, студий и других помещений для прослушивания. Изменяя соотношения различных коэффициент поглощения, материалов, можно влиять на структуру отраженных волн и влиять на качество звучания музыки и речи в помещении.
Когда отражения происходят от негладких (с шероховатостью) поверхностей, отраженные волны распространяются в различных направлениях. В итоге в помещение создается диффузное рассеянное звуковое поле, что положительно влияет на качество звучания в зале.
Также отражение волн зависит и от формы отражающей поверхности. Если, например, она в виде вогнутой или выпуклой чаши, то можно концентрировать или наоборот, рассеивать звук в определенной точке или направлении.
Рефракция (преломление)
Рисунок 2
Рефракция – это изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую называют рефракция (рисунок №2).
Выше упоминалось, что часть звуковой волны отражается, часть энергии теряется на поглощение, а часть проходит через границу в другую среду. Если среда, в которую проходит волна, имеет другие физические свойства, например, температуру, плотность и др., то скорость звука в ней меняется, а звуковая волна из-за этого меняет направление своего распространения.
Рефракция происходит и при распространении в одной и той же среде (к примеру, в атмосфере). Ведь физические свойства её тоже постепенно меняются.
Дифракция
Звуковые волны могут огибать встретившиеся на их пути препятствия и проникать в область за ними. Вот эта способность к огибанию препятствий и называется дифракцией. Именно поэтому звук можно услышать не только в пределах прямой видимости источника (рисунок №3).
Рисунок 3
Зависит дифракция от соотношения длины волны и размера препятствия.
Если длина волны больше размера препятствия, то звуковая волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя своей структуры и интенсивности.
Если длина сопоставима с размерами препятствия, то она огибает его частично. Звук становится меньше, появляются «акустические тени».
Если длина волны меньше размера препятствия, то она отражается от него, а за препятствием образуется «акустическая тень».
Кодирование (оцифровка) звуковых данных
В наше время всё завязано на компьютерах. И очевидно, что уже давно научились оцифровывать звук и хранить его на жёстких дисках компьютеров. Давайте разберём, каким образом реальные звуковые колебания оцифровываются.
Звук в компьютер (или из компьютера) поступает в виде аналоговых (электрических) сигналов.
Цифровой звук - это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды.
Оцифровка звука - технология осуществления замеров амплитуды звукового сигнала с определенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде.
Другое название оцифровки звука - аналогово-цифровое преобразование звука. Прибор, выполняющий оцифровку, называется АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Существует и обратный по действию модуль – ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), который переводит двоичный код в аналоговый сигнал.
Оцифровка звука включает в себя два процесса:
процесс дискретизации сигнала по времени
процесс квантования по амплитуде.
Дискретизация сигнала по времени
Процесс дискретизации по времени - процесс получения значений сигнала, который преобразуется с определенным временным шагом - шагом дискретизации. Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в единицу времени, называют частотой дискретизации. Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале нами будет получено. Для того, чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию обо всём диапазоне слышимых частот исходного аналогового сигнала (20 Гц — 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации составляло не менее 40 кГц.
Линейное (однородное) квантование амплитуды
Линейное квантование амплитуды – процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Отведём для записи одного значения амплитуды сигнала в памяти компьютера N бит. Значит, с помощью одного N-битного слова можно описать 2N разных положений. Пусть амплитуда оцифровываемого сигнала колеблется в пределах от −1 до 1 некоторых условных единиц. Представим этот диапазон изменения амплитуды - динамический диапазон сигнала - в виде 2N -1 равных промежутков, разделив его на 2N уровней - квантов. Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Каждый из 2 N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Если амплитудная шкала разбита на уровни линейно, квантование называют линейным (однородным).
Точность округления зависит от выбранного количества (2N) уровней квантования, которое, в свою очередь, зависит от количества бит (N), отведенных для записи значения амплитуды. Число N называют разрядностью квантования, а полученные в результате округления значений амплитуды числа - отсчетами или семплами. Погрешности квантования с разрядностью 16 бит остаются для слушателя почти незаметными. Этот способ оцифровки сигнала — дискретизация сигнала во времени в совокупности с методом однородного квантования — называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).
Существует ещё одна характеристика оцифрованного звука – битрейт. Он показывает, какое количество информации будет записано в секунду. Чем выше битрейт – тем больше размер файла. Битрейт = частота дискретизации * разрядность квантования * количество каналов.
Рисунок 4
На рисунке №4 наглядно видна разница между высоким и низким качеством оцифровки.
Динамики
Динамик – это устройство, преобразующее электрический сигнал в звуковой посредством движения катушки с током в магнитном поле постоянного магнита. С этими устройствами мы сталкиваемся повседневно. Этот привычный для нас механизм на самом деле является целым комплексом элементов, а его устройство – это настоящее произведение инженерного искусства.
Динамик имеет довольно сложную конструкцию и состоит из множества элементов. На рисунке №5 изображены основные детали, благодаря которым громкоговоритель функционирует правильно.
Рисунок 5
Главными звукоизвлекающими частями в динамике являются диффузор (мембрана) и магнитная система.
Диффузор
Диффузор динамика представляет собой некий поршень, который двигается по прямой вверх-вниз и поддерживает амплитудно-частотную характеристику (баланс звучания) в линейном виде. При повышении частоты колебаний диффузор начинает изгибаться. Из-за этого нарушается баланс звучания динамиков.
Для управления подобными эффектами конструкторы используют более жесткие диффузоры, изготовленные из материалов меньшей плотности.
Магнитная система
Магнитная система - это система из магнита в виде кольца и керна. Когда в динамик поступает переменный ток, с закодированным в нём звуком, в катушке создаётся переменное магнитное поле. Это поле реагирует с постоянным магнитом, из-за чего катушка приводится в движение.
Принцип работы
Переменный ток, идущий на катушку, заставляет ее совершать перпендикулярные колебания в пределах магнитного поля. Эта система увлекает за собой диффузор, заставляя его колебаться с частотой подаваемого тока, и создает разряженные волны. Диффузор начинает колебаться и создает звуковые волны, которые могут быть восприняты человеческим ухом.
Другие элементы динамика
Также важными элементами в устройстве динамика являются краевой гофр и шайба. Краевой гофр - это пластиковая или резиновая окантовка, описывающая электродинамический механизм по всей площади. Он нужен для обеспечения колебаний только по одной оси. Шайба – это деталь, располагающаяся между диффузором и корпусом динамика. Она нужна для поддержания стабильного резонанса низкочастотных динамиков.
Микрофоны
Микрофон – это устройство, позволяющее переводить звуковые волны в электрические сигналы, которые в свою очередь, будут преобразовываться в двоичный код через АЦП.
Основой микрофона является капсюль. Капсюль - это часть микрофона, улавливающая звуковые волны и переводящая их в электрические импульсы. Капсюли делятся по способу съемки и перевода звуковых сигналов в ток на 3 вида: конденсаторные, электретные и динамические.
Немаловажный компонент микрофона - предусилитель. Предусилитель усиливает слабый сигнал до величины линейного уровня (порядка 0,5-1,5 вольт), то есть до приемлемой величины, при которой работают обычные усилители звуковой мощности.
Микрофоны делятся на 3 вида по типу капсюля: конденсаторные, электретные и динамические.
Конденсаторный микрофон
Конденсаторный микрофон схож с конденсатором, последовательно включенным в электрическую цепь с источником напряжения постоянного тока (фантомным питанием) и активным нагрузочным сопротивлением.
Рисунок 6
Схема, объясняющая конструктивное исполнение данного типа микрофонов изображена на рисунке №6.
Выполненные из электропроводного материала мембрана и электрод разделены изолирующим кольцом и вместе образуют конденсатор. Жёстко натянутая мембрана под воздействием звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода.
При колебаниях мембраны ёмкость (а соответственно и заряд) конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в электрической цепи появляется переменный ток и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.
Э лектретные микрофоны
Рисунок 7
Электретные микрофоны схожи по строению с конденсаторными микрофонами, но только постоянное напряжение в них обеспечивается зарядом электрета (активного диэлектрик, который способен после зарядки в электрическом поле долго сохранять электрический заряд), тонким слоем нанесённого на мембрану и сохраняющим этот заряд продолжительное время. Поскольку электретные микрофоны обладают высоким выходным импедансом (общим сопротивлением), в их корпус встраивают транзисторы для усиления полученного сигнала.
Схема электретного капсюля представлена на рисунке №7.
Как правило, мембрана электретных микрофонов имеет большую толщину и меньшую площадь, из-за чего характеристики таких микрофонов зачастую уступают конденсаторным.
Динамический микрофон
Рисунок 8
Динамические микрофоны - микрофоны, схожие по конструкции и обратные по принципу действия динамикам. Данные микрофоны представляют собой мембрану, соединённую с проводником, который помещен в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом (рисунок №8). Звуковые колебания воздействуют на мембрану и приводят в движение проводник. Когда проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в нём появляется индукционный ток.
В отличие от конденсаторных, динамические микрофоны не требуют фантомного питания. В электродинамическом микрофоне мембрана механически жёстко соединена с катушкой, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы (аналогично динамикам). При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии, и в катушке наводится переменная ЭДС. На данный момент это один из наиболее распространённых типов микрофонов, наряду с электретными.
Создание самодельного микрофона
Принцип работы
Опираясь на схему, изображённую на рис. №9, я постараюсь объяснить принцип работы усилителя для этого микрофона.
Рисунок 9
Через резистор R1 подаётся напряжение для капсюля микрофона. Резисторы R2 и R3 являются делителями напряжения. Относительно общей точки, создаваемой резисторами, питание нашей батарейки является двух полярным. Если замерять напряжение от этой точки до плюса питания капсюля, то оно будет равно 4,5 В, а если замерить его от той же самой точки, но только до минуса питания, то напряжение будет -4,5 В. Это двух полярное питание необходимо операционному усилителю. Конденсатор C1 отделяет среднюю точку от батарейки, так как он пропускает только переменный ток от капсюля. Аналоговый сигнал из капсюля заставляет напряжение в средней точке колебаться то в положительное значение, то в отрицательное. У нас получается синусоида переменного тока, который в точности повторяет звуковую волну, попавшую в капсюль. Операционный усилитель усиливает этот сигнал. С помощью подстрочного резистора R6 мы можем регулировать силу усиления. Конденсатор C5, расположенный возле подстрочного резистора, не позволяет усиливать высокие частоты (если увеличить ёмкость этого конденсатора, то он станет отсекать высокие частоты ещё лучше). Конденсатор C2 отделяет наш усиленный сигнал от напряжения питания.
Теперь переходим к созданию микрофона:
Рисунок 10
Сначала создаём печатную плату (рисунок №10). Я решил, что создам её, использовав лазерно утюжную технологию (ЛУТ). Она заключается в том, что чёрно-белым принтером нужно напечатать отзеркаленное изображение платы на фотобумаге. После, накладывая на текстолит фотобумагу, мы проводим по нему нагретым утюгом для того, чтоб тонер остался на плате. Затем кладём нашу будущую плату в раствор перекиси водорода, воды и лимонной кислоты (в качестве катализатора можно добавить несколько грамм поваренной соли). После травления платы с помощью ацетона отчистить остатки тонера.
Рисунок 11
Д алее припаиваем все детали на свои места. Когда пайка на плате завершилась, нужно припаять провода питания и вывода. После этого микрофон будет готов (рисунок №11).
Заключение
Мне было интересно выполнять эту работу. В процессе поиска информации я узнал много нового, связанной с выбранной темой. Также, в процессе создания проекта, я сделал полноценный работающий прибор, создание которого было увлекательным. Я выполнил все задачи, которые хотел достичь, поэтому я считаю свой проект законченным.
Список литературы:
https://art-complex.ru/pages/osobennosti-aku/
http://wikisound.org/Децибел
https://nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/chto-takoe-zvuk/otrazhenie-zvukovyh-voln-refrakciya-difrakciya-rasseyanie/
https://www.joyta.ru/5835-predusilitel-dlya-mikrofona-podborka-sxem/#:~:text=Предусилитель%20для%20микрофона%2C%20он%20же,работают%20обычные%20усилители%20звуковой%20мощности
https://chipinfo.pro/elements/acoustics/microphones.shtml
https://ru.wikipedia.org/wiki/Кодирование_звуковой_информации
https://principraboty.ru/princip-raboty-dinamika/
https://www.hi-dev.ru/projects/hi-dev-micro