Новый взгляд на вездесущий шум или электричество из звуковых волн

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Королёв И.М. 1

---

1Государственное учреждение образования «Средняя школа №45 г.Могилева»

Филанович А.Г. 1Бочкарёва О.М. 1

---

1Государственное учреждение образования «Средняя школа №45 г.Могилева»

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Все меньше окружающей природы, все больше окружающей среды.

Проблема загрязнения окружающей среды вредными испарениями и выбросами в последнее время становится наиболее острой. Рост потребностей человека в использовании электроэнергии приводит к загрязнению воздуха и к ухудшению состояния лито- и гидросферы. Альтернативные источники энергии позволяют не только вырабатывать дополнительное электричество, но и сохранять природу. Солнечные батареи и ветряные генераторы уже вряд ли могут кого-то удивить. Сегодня, когда цены на энергоносители растут, необходимо искать новые способы для получения электрической энергии.

Вокруг нас море бесплатной энергии в виде шума машин, ликующих стадионов и прочих мелких колебаний. Если даже малую часть этой энергии мы сможем преобразовать в электрическую энергию – это уже превосходно. Сегодня существует много устройств, которые работают на доли Вт – это всевозможные датчики. Светофоры на светодиодах могли бы работать от шума проезжающего автотранспорта. Добавив аккумулятор, полученную энергию можно будет накапливать и затем использовать в нужный момент.

Рисунок 1 – Праздничная иллюминация города Могилева

Цель: создание модели звукоулавливающих динамиков с генератором электрического тока, которая преобразовывает энергию продольной звуковой волны в электрическую.

Задача: создать модель устройства, которое будет вырабатывать электрическую энергию в момент работы динамиков «наоборот».

Использованное оборудование: 6 динамиков из неисправных звуковых колонок, мультиметр, соединительные провода, светодиод, трансформатор.

Объект исследования: преобразование энергии продольной звуковой волны в электрическую.

Предмет исследования: влияние громкости звука, жанра музыкального произведения и расстояния между источником и приемником звука на полученное ЭДС переменного тока.

Гипотезы:

ЭДС переменного тока зависит от громкости звука (от амплитуды);

ЭДС переменного тока зависит от жанра музыкального произведения;

ЭДС переменного тока зависит от расстояния между источником звука и приемником звука.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Теоретическая часть

1.1 Вездесущий шум

Современный город, наш родной Могилев не исключение, и днём, и ночью пронизан звуковыми колебаниями, энергия которых расходуется впустую – на сотрясание воздуха. Прежде этот вездесущий шум рассматривался лишь как неизбежное зло – побочный эффект цивилизации. Но всё можно изменить! Сегодня энергию звуковых волн, которую создает взлетающий самолет, ликующий стадион во время футбольного матча, гул автомагистрали-дублера, шум забиваемых свай на нашем растущем районе, детские голоса в школьной столовой, бассейне, школьном стадионе и актовом зале – всё это можно и нужно обратить на благо человека, заставив его вырабатывать электроэнергию.

Источниками звука являются любые тела, которые колеблются, дрожат с частотой от 16Гц до 20кГц.

В настоящее время защитой от шума является посадка зеленых насаждений (Рис. 1.1). Это действительно снижает децибелы, однако в осенне-зимний период в меньшей степени, нежели летом, из-за отсутствия листвы у деревьев.

Рисунок 1.1 – Зеленые насаждения вдоль проезжей части и железной дороги в городе Могилеве

Первая в Могилеве бетонка, созданная по современным технологиям, соединила улицу Космонавтов и новый микрорайон Спутник-2 (Рис. 1.2). Рядом с дорогой располагаются жилые дома. Чтобы защитить жителей от шума, здесь установили специальные экраны [1].

Рисунок 1.2 – Дорога-дублер улицы Якубовского и Загородного шоссе в Могилеве с установленными шумозащитными экранами

Также микрорайон «Спутник-2» огражден металлической стеной от железной дороги, тем самым защищая жителей спального района от шума, создаваемого стуком колес проезжающих поездов (Рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Шумозащитный экран (микрорайон «Спутник-2» – станция «Могилев-2»)

С установкой шумозащитных экранов и появилась идея – использовать шум с пользой!

Предлагаю установить устройство в непосредственной близости от источника громкого звука, например стадион, и вырабатываемой энергией можно освещать рекламные щиты и городскую иллюминацию. Рядом с устройством размещается аккумулятор, позволяющий накапливать электричество и отдавать в нужный момент. Все динамики устройства взяты из неисправных звуковых колонок, значит, получили «вторую» жизнь. Мощность невелика, но достается почти «бесплатно». Принцип действия устройства основан на явлении электромагнитной индукции (Рис. 1.4). На мембране находится катушка, которая является ротором, а магнит – статор.

Рисунок 1.4 – Явление электромагнитной индукции

1.2 «Пионеры» получения электричества из шума

Самарский «шумоутилизатор»

Основной смысл идеи преподавателей и студентов кафедры теплотехники Самарского национального исследовательского университета имени С.П. Королева – использовать энергию звуковых волн, которые распространяются в выхлопных системах различных энергетических установок – двигателей и компрессоров, то есть речь идет о шуме [2].

Уже сделан прототип установки. Это волновод – полипропиленовая труба длиной около трех метров, внутри которой находится пульсационная турбина с электрогенератором. К одному из концов трубы присоединен источник шума – сабвуфер мощностью порядка 80 Вт от обычной бытовой акустической системы. Внутри трубы разместили датчики, а к волноводу присоединили осциллограф (электронный прибор для измерения электрических сигналов в цепи и наблюдения за ними) (Рис. 1.5).

Поступающие в трубу звуковые колебания раскручивают турбину. Ученые измеряют давление в различных точках волновода и смотрят, как выстраиваются звуковые волны в зависимости от месторасположения турбины в трубе. Они стараются найти оптимальную точку с наибольшей степенью утилизации звука и выработки электроэнергии. Первые эксперименты продемонстрировали, что звук мощностью примерно 20 Вт раскручивает турбину до 13 тысяч оборотов в минуту. Это дает около 2 Вт электроэнергии.

Рисунок 1.5 – Прототип установки

Самарские ученые говорят, что разработка не только сделает в перспективе двигатели менее шумными и более безопасными для здоровья людей, но также шумоутилизатор уменьшит нагрузку на выхлопную систему двигателя, то есть двигатели благодаря этому будут меньше по размеру и легче.

«Зелёный шум» аэропортов

Дизайнер Хьёнг-Юэй Джоу (Hung-Uei Jou) создал устройство «Green Noise», способное превращать децибелы шума в ватты. Гаджет имеет вид динамика и оснащен треногой для устойчивости и мобильности (Рис. 1.6). Основным местом его применения автор задумывал аэропорт, где каждый взлетающий самолет производит шум уровнем порядка 140 децибел, что эквивалентно 240 кВт мощности. Таким образом, нетрудно посчитать, какое количество электроэнергии можно генерировать при средней загруженности аэропорта от 300 до 500 самолетов в день [3].

У этого изобретения имеется существенный недостаток – дороговизна.

Рисунок 1.6 – Устройство «Green Noise»

Небоскрёб для поглощения шума

Мы с сочувствием относимся к людям, живущим вблизи аэропортов, железнодорожных вокзалов, транспортных развязок, грузовых портов, а также мест, где ведутся строительные работы – ведь уровень шума в их жилищах, должно быть, просто невыносим! А вот будущие обитатели небоскрёба «Soundscraper» (Рис. 1.7), который пока что находится на стадии концепта, будут только рады избытку шума вокруг, поскольку это здание сможет вырабатывать энергию из звуковых вибраций [3].

Рисунок 1.7 – Небоскрёба «Soundscraper»

Проект «Soundscraper», представленный на конкурсе небоскребов «eVolo 2013», подразумевает строительство небоскреба, покрытого десятками тысяч особых «ресничек», каждая из которых будет служить улавливателем звука. Собранная таким образом кинетическая энергия будет превращаться в электричество, обеспечивая, как минимум, нужды самого здания. Авторы проекта просчитали, что одно такое сооружение может выработать до 150 МВт/год.

2 Практическая часть

На это исследование меня воодушевил М. Фарадей, которому удалось с помощью переменного магнитного поля получить электрический ток. Сын лондонского кузнеца переплетчик Майкл Фарадей и гениальный самоучка не имел возможности даже закончить начальную школу и проложил путь в науку сам. Во время учения переплетному делу он читал книги, в особенности по химии, сам проделывал химические опыты. С 1813 г., когда Фарадей был принят в институт лаборантом, и до самой смерти он жил наукой. Уже в 1821 г., когда Фарадей получил электромагнитное вращение, он поставил своей целью «превратить магнетизм в электричество». Десять лет поисков и напряженного труда увенчались открытием электромагнитной индукции.

Всем известно, что электрические импульсы можно превратить в звуковую волну, а я решил наоборот, из звука получить электрический ток.

Представляю Вашему вниманию устройство, позволяющее получать электричество из звуковых волн. Это устройство позволит эффективнее использовать недооцененный на сегодняшний день источник энергии.

Шум вездесущ, и с развитием цивилизации его становится только больше, и это, к сожалению, не трели соловья. Энергия, создаваемая звуковыми волнами, по сей день не используется.

Устройство внешне несколько напоминает звуковую колонку, однако работает противоположным образом – когда звук вызывает колебания диафрагмы динамика, это приводит в движение расположенную внутри магнита катушку. Получаемая в результате их взаимодействия энергия накапливается в аккумуляторе.

Модель №1 представляла собой 6 динамиков, соединенных параллельно. Поскольку такое соединение позволяет сделать меньше общее сопротивление, следовательно больше силу тока. Однако это решение не дало нужного результата.

Из-за несовершенства модели №1 принял решение создать модель №2. Модель №2 представляет собой 6 индикаторов электрического тока в виде динамиков, соединенных последовательно (Рис. 2.1, Приложение А). Сопротивление становится больше, но суммируются и импульсы ЭДС переменного тока (Рис 2.2, Приложение А).

Получить большое значение ЭДС переменного тока целью не было, поэтому созданная установка небольшого размера.

Для получения тока большего значения, необходим более мощный магнит и катушка с большим количеством витков (приблизительно 500 штук витков тончайшего медного провода).

Для проверки гипотезы 3, понадобилась более чувствительная установка. Модель №3 – усовершенствованная модель №2, к которой добавлены трансформатор повышающий и светодиод (Рис. 2.3, Приложение А). К светодиоду, для выпрямления переменного электрического тока, подключен параллельно диод (Рис 2.4, Приложение А).

В ходе проведенных исследований (Рис. 2.5-2.8, Приложение А; Таб. 2.1, Приложение Б) была подтверждена гипотеза 1: полученное ЭДС зависит от амплитуды колебаний воздуха. Чем больше амплитуда, тем больше ЭДС переменного тока – прямо пропорциональная зависимость (Таб. 2.2, Рис. 2.9, Приложение Б).

Также проведенные исследования опровергли гипотезу 2: ЭДС переменного тока не зависит от жанра произведения (Таб. 2.3, Приложение Б). Это субъективное восприятие звука. Одна и та же громкость звука с высокой частотой, а нам кажется, что звук громче чем звук низкочастотный.

Измеряя расстояние от источника звука до приемника (Рис. 2.8, Приложение А; Таб. 2.1, Приложение Б) и ЭДС переменного тока, установлена обратно пропорциональная зависимость. Мощность тока вычислена по формуле: Р=U²/R, где U – ЭДС переменного тока, R – общее сопротивление 6 динамиков по 8 Ом каждый.

R= 6R₁; R₁=8 Ом

P, мкВт

Мощность в интервальном виде:

2,0 140,8

Данные измерений внесены в таблицу (Таб. 2.4, Приложение Б), а также представлен график обратно пропорциональной зависимости ЭДС переменного тока от расстояния до источника звука (Рис. 2.10, Приложение Б).

Для определения погрешности измерений (Таб. 2.5-2.6, Приложение Б) были выполнены следующие расчеты:

Вычисление среднего значения измерения расстояния от источника звука до приемника звука для точки на графике, которая более удалена от линии тренда (Таб. 2.1, Рис 2.10, Приложение Б):

Вычисление абсолютной случайной погрешность при каждом измерении и среднее значение при 10 измерениях:

,

Максимальное значение абсолютной случайной погрешности измерения расстояния равно:

гдекоэффициентk= 1, поскольку у нас 10 повторных измерений

Ответ в интервальном виде: м.

l, м

0,49 0,51

Вычисление относительной погрешности измерений:

Следовательно, измерения выполнены с погрешностью в 1,6% (Таб. 2.4, Приложение Б).

Вычисление среднего значения измерений ЭДС переменного тока:

,

где – это цена деления вольтметра и – ½ цены деления вольтметра.

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

Максимальное значение абсолютной случайной погрешности измерения ЭДС переменного тока равно:

гдекоэффициентk= 1, поскольку у нас 10 повторных измерений

Вычисление относительной погрешности измерений:

мВ

Ответ в интервальном виде: мВ

31,7 36,3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанного исследования, гипотезы 1 и 3 подтвердились полностью: ЭДС переменного тока зависит от громкости звука; ЭДС переменного тока зависит от расстояния до источника звука. Гипотеза 2 не подтвердилась.

На основе результатов исследований можно сделать следующие выводы:

ЭДС переменного тока зависит от громкости звука, следовательно, от амплитуды колебаний звуковой волны прямо пропорционально;

ЭДС переменного тока не зависит от жанра музыкального произведения;

ЭДС переменного тока зависит от расстояния до источника звука обратно пропорционально.

Нужно открывать такие источники, которые позволяют получать электричество буквально из ниоткуда.

Недостатки:

Невысокая мощность;

Требует наличие дополнительного устройства – аккумулятора.

Достоинства:

Использует бесплатную энергию – энергию продольной звуковой волны;

Можно использовать на стадионах и арт-концертах и не только, а полученную бесплатную энергию использовать в нужное время и в нужном месте.

Перспективы дальнейшей работы: в ближайшем будущем планирую приобрести:

катушку (намотать) из 500 штук витков тончайшего медного провода;

аккумулятор.

Практическая значимость:

использование экспериментальной установки на классных часах экологической направленности, на уроках физики;

получение экологически чистой электроэнергии, которую можно использовать для зарядки мобильных телефонов, планшетов, наушников, смартфонов, фото- и видеотехники, смарт-часов, работы светофоров и других устройств.

Альтернативная энергетика – совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, но думаю, что их использование в скором будущем будет если не массовым, то хотя бы часто используемым. Возобновляемые источники энергии – ветроэлектростанции, солнечные электростанции, геотермальные источники энергии – это уже настоящее! Энергия «из шума и звука» – перспектива будущего!

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

В Могилеве открыли дорогу-дублер улицы Якубовского и Загородного шоссе [Электронный ресурс] // Могилевский городской информационно-справочный портал. – Режим доступа: https://mycity.by/news/obshchestvo/1783-v-mogileve-otkryli-dorogu-dubler-ulitsy-yakubovskogo-i-zagorodnogo-shosse-po-initsiative-grazhdan-ee-nazovut-imenem-17-sentyabrya. – Дата доступа: 18.04.2022.

В России придумали способ добывать энергию из шума [Электронный ресурс] // Наука. – Режим доступа: https://naukatv.ru/news/v_samare sozdali_ustanovku_dlya_preobrazovaniya_shuma_v_elektrichestvo. – Дата доступа: 18.04.2022.

Энергия из шума: новейшие разработки [Электронный ресурс] // Новости экологии. Энергетика. – Режим доступа: https://facepla.net/the-news/energy-news-mnu/4318-energiya-iz-shuma-novejshie-razrabotki.html. – Дата доступа: 18.04.2022.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок 2.1 – Макет установки №2

Рисунок 2.2 – Схема электрической цепи модели №2

Рисунок 2.3 – Макет установки №3

Рисунок 2.4 – Схема электрической цепи модели №3

Рисунок 2.5 – Проведение исследований в учебном кабинете

Рисунок 2.6 – Проведение исследований у проезжей части

Рисунок 2.7 – Проведение исследований зависимости ЭДС переменного тока от громкости звука и расстояния до источника звука в учебном кабинете

Рисунок 2.8 –QR-код к видеоролику, проведение исследований в учебном кабинете

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Таблица 2.1 – Измерения, полученные в ходе исследований

Таблица 2.2 – Зависимость возбуждаемого ЭДС от громкости звука

Рисунок 2.9 – График зависимости возбуждаемого ЭДС переменного тока от громкости звука

Таблица 2.3 – Зависимость возбуждаемого ЭДС от жанра музыкального произведения

Таблица 2.4 – Зависимость ЭДС переменного тока от расстояния до источника звука

Рисунок 2.10 – График зависимости ЭДС переменного тока от расстояния до источника звука

Таблица 2.5 – Погрешность измерений расстояния от источника звука до приемника

Таблица 2.6 – Погрешность измерений ЭДС переменного тока