Изучение частоты звука как особенность материалов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Любимцева С.А. 1

---

1АНОО школа №1 ст Новотитаровская

Барковская Н.А. 1

---

1АНОО школа №1 ст Новотитаровская

Работа в формате PDF

868.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Человека всегда окружает множество разнообразных звуков, которые играют важную роль в его жизни. В современном мире люди научились применять звук в различных сферах своей деятельности, что сделало изучение природы звука очень важным и перспективным процессом.

Когда мы думаем о технологиях будущего, мы часто не замечаем поле, в котором происходят невероятные достижения. Звук на поверку оказывается одним из фундаментальных строительных блоков будущего. Наука использует его, чтобы творить невероятные вещи, и можете быть уверены, в будущем мы услышим и увидим намного больше.

Команда ученых создала холодильник, который охлаждает еду с помощью звука. В его основе лежит принцип того, что звуковые волны сжимают и расширяют воздух вокруг себя, что нагревает и охлаждает его соответственно.

Ультразвуковые волны используются для сварки пластмасс с 1960-х годов. В основе этого метода лежит сжимание двух термопластичных материалов на вершине особого приспособления. 

Врачи уже используют звуковые волны для медицинских процедур вроде УЗИ и разрушения камней в почках, был создан акустический скальпель, точность которого позволяет отделять даже одну клетку.

Каждый звук несёт в себе определённую информацию и человек воспринимает и отвечает на нее. Услышав тот или иной звук, человек способен по его характеру определить тип материла или предмет его издавший.

Например, услышав звон бокалов, или звон колокола мы можем точно сказать, что бокалы из стекла, а колокол металлический. Так чем же обусловлен характер звука того или иного материала? В данной работе мы решили разобраться в этом вопросе.

Гипотеза: частота волны звука является той особенностью материала, которой обусловлен характер звука (глухой стук дерева или звон стекла) и по которой мы определяем, что предмет сделан из стекла или из дерева.

В настоящее время в мире известно очень много различных материалов как природного, так и искусственного происхождения. Сведения об особенностях звучания различных материалов могут быть полезны в изучении их свойств и применении в различных сферах деятельности человека.

Объект исследования: звуковые волны

Предмет исследования: частота звука как особенность материала источника звука

Цель исследования: определить является ли частота звука свойством материала, из которого состоит предмет (тело), или же все предметы издают звук с одинаковой частотой.

Задачи:

1.Изучить литературу по теме звук и его свойства

2.Измерить частоту волны звуков различных предметов (тел), состоящих из различных материалов (дерево, пластик, металл)

3.Выявить в домашних условиях источник звука с самой низкой и самой высокой частотой.

Глава 1. Что такое звук и все о нем

Звук – это физическое явление. Его источником бывает любое упругое тело (предмет), способное производить механические колебания. В результате образуются звуковые волны, которые по воздуху достигают человеческого уха. Оно воспринимает волны и преобразовывает их в нервные импульсы, которые передаются в головной мозг. В результате человек осознает конкретный звук.

Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно изменяющейся интенсивностью и частотой.

Человек может воспринимать звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различая при этом громкость и тон. Чем больше интенсивность звуковой волны, тем громче звук, чем больше частота волны, тем выше тон звука (рис. 1).

Рисунок 1. Звуковая волна

Выстрел, гром, крик сотрясают воздух. Ближайшие частицы начинают колебаться. Они толкают соседние частицы, те следующие. Так толчки передаются от частицы к частице, пока не достигнут наших ушей, и мы услышим звук выстрела, грома, крика. Но колебания могут быть разными: редкими и очень частыми. Ученые называют одно колебание в секунду герцем (в честь знаменитого немецкого физика Генриха Герца). И вот что было замечено. Оказывается, человеческое ухо улавливает звуки частотой примерно от 15 Гц до 20000 Гц. Звуки, что находятся до и после этих пределов, уши человека не воспринимают. Ниже это – инфразвук. Выше - ультразвук. Звук частотой в миллиард герц называется ультра-ультразвуком или гиперзвуком [1].

Чем больше частота звука, тем более высокий, тонкий, писклявый тон мы слышим (например, писк комара). Тогда говорят: «Этот звук имеет высокий тон» (рис. 2).

Рисунок 2. Частота волны звука

А еще мы говорим: «Громкий звук». То есть с большим запасом энергии, мощный. Для громкости тоже придумана мера – децибел. Ученые взяли самую маленькую громкость, которую наше ухо еще слышит, и решили, что звук в 10 раз мощнее пусть считается равным 10Децибеллам (тихий шепот). В 100 раз мощнее – 20 децибелам (шелест листвы). В 1000 раз мощнее – 30 децибелам (тиканье часов), в 10000 мощнее – 40 децибелам (негромкий разговор). Кузнечик стрекочет – это звук примерно в 70 децибел. Грузовой автомобиль едет и шумит – 80 децибел. Гром гремит – 120 децибел. При звуке 130 децибел появляется боль в ушах [2].

Наука о звуке называется акустикой (от греческого слова «акустикос», что в переводе означает «слуховой»).

Инфразвук.

Инфразвук представляет собой звуковые волны низкой частоты, которые люди не слышат. Так как слуховой аппарат людей может воспринимать звуки в пределах частот от 15 до 20 тысяч, то за верхний уровень частот инфразвука принято считать 16 Гц. Наименьший уровень этого диапазона расположен на уровне 0,001 Гц. Однако на практике интерес представляют колебания, имеющие десятую или сотую доли герца [3].

Источниками инфразвука могут являться естественные объекты в виде грозовых разрядов или землетрясений, а также искусственные объекты в виде станков, автомобилей, взрывов или специальных устройств. Волны также могут сопровождать шумы при работе транспорта и промышленных установок. Типичным примером таких низкочастотных колебаний является вибрация.

Многие животные прекрасно слышат в инфразвуковом диапазоне. Слоны общаются между собой на частотах от 14 до 34 Гц, которые почти не воспринимаются человеком. Тигры перед атакой рычат на частоте 18 Гц, что приводит в состояние ступора копытных, на которых они охотятся. Медузы воспринимают инфразвуковые волны с частотой 8-13 Гц, возникающие при шторме в результате взаимодействия потоков воздуха с волнами. Кошки, собаки, свиньи, кролики тоже улавливают инфразвук и ведут себя беспокойно, благодаря этому они могут предупредить человека о надвигающейся грозе или землетрясении.

Ультразвук.

Самый высокий звук, который слышит человек, — это писк комара. А еще более высокий звук (более 20 тыс. колебаний в секунду) человек уже не слышит — это и есть ультразвук. «Ультра» в переводе с латинского означает «сверх», «за пределами».

Впервые ультразвук открыли в 1880 году. Братья Жак и Пьер Кюри сделали важное открытие. Они заметили, что если пластинку из кварца (есть такой минерал твердый и прочный как стекло) сжимать и разжимать, то на ней появляются электрические заряды. Можно и наоборот: действовать на кварцевую пластинку электричеством. Тогда она станет сжиматься и разжиматься, иначе сказать – колебаться с огромной частотой. Так был получен прибор, излучающий ультразвук. Сейчас для получения ультразвука используют особые приборы.

Ультразвуки воспринимают дельфины, летучие мыши, различные насекомые. Человек тоже умеет «слышать» ультразвуки, но... только с помощью приборов. Такие приборы называются ультразвуковыми генераторами и приемниками.

Один из таких приборов — эхолот. Издаваемый им ультразвук отражается от какого-либо предмета и возвращается к нам в виде ультразвукового эха. Если эхо приходит быстро, значит, предмет находится близко, если оно идет долго — далеко. С помощью ультразвуковых эхолотов определяют глубину морей, находят косяки рыб, обнаруживают подводные рифы.

Научившись «воспринимать» ультразвук, человек стал широко использовать его и в науке для различных исследований, и в технике. С помощью ультразвука можно дробить камни в мельчайший порошок, сверлить и резать металлы и сверхтвердые материалы, смешивать плохо смешивающиеся жидкости.

Профессий у ультразвука с каждым годом становится все больше. Сейчас ультразвук стирает белье, сшивает ткани, контролирует качество сварных швов и отливок. Широко применяют ультразвук в медицине. С помощью ультразвука делают массаж, операции, лечат зубы и даже ставят диагноз заболевания. Ультразвук верный помощник человека [1].

Глава 2. Методика и результаты исследования

Из литературы мы узнали, что все звуки отличаются интенсивностью волны (чем выше интенсивность, тем громче звук) и частотой волны (чем выше частота звука, тем выше тон). Характер (тональность) звука, т.е. низкий он или высокий, звонкий или глухой определяет частота волны.

Перед нами возник вопрос: «Как будет изменяться частота волны звука возникающего при ударе различного рода материалов, таких как: металл, стекло, пластик, дерево?

В ходе исследования мы провели ряд измерений. Используя различные материалы (металл, стекло, пластик, дерево), мы измеряли частоту волны звука возникающего при ударе предметов друг о друга. В начале эксперимента мы ударяли предметы, состоящие из одного материала, т.е. стекло о стекло, дерево о дерево. Затем меняли: стекло о дерево, стекло об металл, метал об дерево. Измерения частоты звука проводились с помощью приложения для мобильного телефона «Анализатор спектра звука».

На рисунке 3 представлена диаграмма частоты звука удара стекла о стекло. Для эксперимента мы применяли два высоких бокала из стекла. Измерение показало, что при ударе стекла о стекло издается звуковые волны с преобладанием частоты и 5000 Гц,

Рисунок 3.Частота волны звука удара «стекло-стекло»

Удар двух деревянных предметов издает звук с преобладанием волн более низкой частоты – 500 Гц. (рис. 4). При этом мы можем сказать, что слышим звук глухой, по сравнению со звоном стекла.

Рисунок 4.Частота волны звука удара «дерево-дерево»

При ударе камень о камень мы получили звук с частотой волны 19000 Гц (рис. 5). Как мы знаем из источников, человеческое ухо способно слышать звук с частотой от 16 до 20000 Гц. Стоит отметить, что не все камни издают звук такой частоты, это зависит от состава породы образовавшей камень, анализ этого явления требует более глубокого изучения состава пород и применением специальной аппаратуры. Частоту звука 19000Гц, мы получили при ударах камней привезенных с черноморского побережья.

Рисунок 5. Частота волны звука удара «камень-камень»

Удар пластикового предмета о пластик издает звук с преобладанием волны частотой 900 Гц (рис. 6), а это ниже чем звук удара стекла и выше, чем звук удара дерева.

Рисунок 6. Частота волны звука удара «пластик-пластик»

При ударе двух металлических предметов мы получили звук с колебанием волн частотой около 8000 (рис. 7).

Рисунок 7. Частота волны звука удара «металл-металл»

Далее в ходе эксперимента, мы перемешали предметы. Т.е. ударяли друг об друга предметы, состоящие из разных материалов: стекло о дерево, стекло об металл, метал об дерево. В результате получили, что звуковые волны полученные таким образом не имеют выраженной частоты, как это было с однородными предметами (рис. 8-10)

Рисунок 8. Частота волны звука удара «дерево-металл»

Рисунок 9. Частота волны звука удара «стекло-металл»

Рисунок 10. Частота волны звука удара «стекло-дерево»

Все полученные результаты мы заносили в таблицу 1.

Таблица 1. Частота волны звука различных тел.

На диаграмме (рис. 11) мы расположили материалы в порядке возрастания частоты волны звука ими издаваемого.

Рисунок 11. Частота волны звука некоторых материалов

Из диаграммы видно, что звук с самой низкой частотой издают деревянные предметы (500 Гц), пластиковые тела (предметы) при ударе издают звуки с частотой волны до 1000 Гц. Отметим, что в быту звуки ударов этих предметов мы называем «глухим» звуком. Металлические предметы позволяют извлечь звук с частотой около 8000 Гц, стеклянные – 5000 Гц и эти звуки мы бы назвали – звоном. Таким образом, можно сказать, что звуки с частотой до 1000 Гц – мы слышим как глухие, а с большей частотой выше – звонкие. Звук с наибольшей частотой 19000 Гц отмечен при ударе двух камней.

При ударе разнородных предметов, например, стекло о дерево, стекло о металл издавали звуки, в которых нет одной выраженной частоты (рис. 8-10).

Заключение

В ходе выполнения работы мы познакомились с понятием - частота волны звука и узнали.

Человеческое ухо улавливает звуки частотой примерно от 15 Гц до 20000 Гц. Звуки, что находятся до и после этих пределов, уши человека не воспринимают. Ниже это – инфразвук. Выше - ультразвук

Благодаря инфразвуку и ультразвуку общаются животные, а человек научился применять их в науке и технике. Кошки, собаки, свиньи, кролики тоже улавливают инфразвук и ведут себя беспокойно, благодаря этому они могут предупредить человека о надвигающейся грозе или землетрясении. С помощью ультразвука можно дробить камни в мельчайший порошок, сверлить и резать металлы и сверхтвердые материалы, смешивать плохо смешивающиеся жидкости.

В ходе экспериментов мы измерили частоту волны звука возникающего при ударе друг об друга тел (предметов) из дерева, стекла, металла и камня. Анализируя полученные результаты, отметим, что звук с самой низкой частотой издают деревянные предметы (500 Гц), пластиковые тела (предметы) при ударе издают звуки с частотой волны до 1000 Гц. Металлические предметы позволяют извлечь звук с частотой около 8000 Гц, стеклянные – 5000 Гц. Звук с наибольшей частотой 19000 Гц отмечен при ударе двух камней.

Таким образом, зная частоту волны звука издаваемого тем или иным материалом или же частоту звука каких либо процессов (технологических), можно судить о состоянии (изношенности) материалов применяемых в производстве или контролировать правильность процесса протекающего на производстве.

При ударе разнородных предметов, например, стекло о дерево, стекло о металл издавались звуки, в которых нет одной выраженной частоты. Звуки, которые не имеют выраженной частоты называют шумом.

Часто в быту мы уже не обращаем внимание на звуки, которые исходят от бытовых приборов: холодильник, компьютер, фильтр аквариума и др.). Мы определили, что частота звука этих приборов около 70 Гц. Это самая низкая частота звука, которую мы отметили в домашних условиях (Приложение 1).

Подводя итог, отметим, что мы измерили частоту звука издаваемого различными предметами, расположили их в порядке возрастания и отметили закономерность изменения характера звука. Это позволяет сделать вывод о том, что частота волн ы звука является той особенностью материала, которой обусловлен характер звука (глухой стук, звон) и по которой мы определяем, что предмет сделан из стекла или из дерева.

Литература:

Черненко Г.Т. Как увидеть звук? - М.: Издательство АСТ, 2019 г. – 43 c.

Инфразвук и ультразвук- неслышимые звуки // Школьная энциклопедия: ency.info – 2020 – URL: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/akustika/350-infrazvuk-i-ultrazvuk-neslyshimye-zvuki

Инфразвук. Работа и применение. Особенности и влияние // Электросам.ру: electrosam.ru – 2022 - URL: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/infrazvuk/

Хель И. 10 невероятных научно-технических применений звука // Hi- News.ru : hi-news.ru/science – 2015 – URL: https://hi-news.ru/science/10-neveroyatnyx-nauchno-texnicheskix-primenenij-zvuka

Приложение 1.

Частота звука издаваемого различными предметами в порядке возрастания