XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Поющий металл

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шпагин А.А. 1

---

1ГБОУ АО АЛГ

Никитина Т.А. 1

---

1ГБОУ АО АЛГ

Работа в формате PDF

3.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

«Было бы, пожалуй, одним из крупнейших открытий,

если бы удалось построить машину, которая могла

бы подражать всем звукам и словам со всеми их

оттенками; задача эта не кажется мне невозможной».

1761 г.

Знаменитый математик Леонард Эйлер

Мой папа коллекционирует старинные звуковоспроизводящие машины: музыкальные шкатулки, шарманки, граммофоны, патефоны и т.д. Мне нравится слушать как они красиво звучат, а также интересно помогать отцу реставрировать их. Я изучил устройство граммофона и у меня возник вопрос: « Как возникает звук, и из какого материала нужно делать мембрану звуковой головки?». Было решено провести исследовательскую работу.

Цель работы:

Экспериментальным путём найти нужный материал для изготовления мембраны звуковой головки с наилучшими показателями (чистотой и громкостью воспроизводимого звука).

Задачи исследования:

1.Изучить историю создания звуковоспроизводящих машин и методов сохранения звука. Ознакомиться со свойствами звука.

2.Найти единомышленников и помощников для реализации моего проекта;

3.Собрать материальную базу: граммофон, пластины разных металлов (алюминий, медь, латунь) для изготовления мембран звуковой головки, пресс-форма, штангенциркуль, шумомер для измерения громкости звука, электрический паяльник, оловянный припой, флюс для пайки алюминия, ортофосфорная кислота, старинный звуковой носитель (граммофонная пластинка);

4.Разработать план работы и распределить обязанности.

5.Провести исследования, проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

1.Экскурс в историю создания звуковоспроизводящих машин и средств запечатления звука.

«Звук не исчезает бесследно»

1589 г. Физик Порто

Как разнообразен и красочен мир звуков, окружающий нас. Человеческая речь, раскаты грома, шум морского прибоя, шелест листвы, пение птиц…Беспредельно разнообразие слышимого мира. Нельзя ли найти средство запечатлеть его?

Потребовались века, чтобы осуществить это стремление. В разное время и с разным успехом пытливые умы стремились придумать машину, которая могла бы петь, смеяться и разговаривать как человек.

Попытки «сохранить звук» и привели, в сущности, к изобретению нот. Однако мысль о создании «говорящей машины» не давала покоя изобретателям. Интерес к говорящим машинам со временем возрос настолько, что в 1779 году Петербургская академия наук даже объявила конкурс на создание механизма, способного воспроизводить гласные звуки. Особенно удачным оказалось приспособление, разработанное и изготовленное петербургским академиком Кратценштейном. Его прибор совершенно отчётливо издавал пять гласных звуков: а,е,и,о,у.

Настоящая история звукозаписи начинается с 1807 года, когда английский ученый Томас Юнг впервые описал способ записи колебаний камертона на закопчённой поверхности вращающегося цилиндра (здесь цилиндр – прародитель валика фонографа). А в 1842 году физик В.Вертгейм впервые записал колебания камертона на поверхности вращающегося плоского диска, который, несомненно, можно назвать далеким предком граммофонной пластинки.

Следующим существенным этапом явилось изобретение в 1857 году французским наборщиком Леоном Скоттом так называемого «фоноавтографа», в котором колеблющаяся под действием звука мембрана вызывала колебаниястраусового пера, оставляющего своим кончиком извилистый след на поверхности закопченного цилиндра. Эти извилины несли в себе запись колебаний мембраны, то есть звука.

Так шаг за шагом пытливый ум экспериментаторов привёл к созданию настоящего звукозаписывающего аппарата. Оставалось лишь заставить эту машину воспроизводить записанный звук, то есть сделать запись обратимой.

Мысль об обратимости записи впервые высказал разносторонне одаренный человек, талантливый поэт, острый публицист, тонкий музыкант, образованный физик и химик, а также изобретатель – Шарль Кро.

Третьего апреля 1877 года Кро представил во французскую национальную Академию наук закрытый конверт. Маститые учёные не удосужились вскрыть письмо своевременно. Это сделали лишь 3 декабря.

Взорам академиков предстали не стихи, а рукопись под заглавием «Процесс записи и воспроизведения явлений, воспринимаемых слухом».

Автор писал: «В основном мой способ состоит в получении следа переменного движения вибрирующей мембраны, так чтобы можно было воспользоваться этим же следом для воспроизведения её первоначальных вибраций. Если мембрана, оснащённая остриём (резцом), вырезает канавку под действием звука, то эта канавка приведёт в колебание мембрану, когда остриё пройдёт снова по канавке, и будет воспроизведён начальный звук». Далее следовало подробное изложение действия прибора, названного изобретателем палеофоном. Никто до Шарля Кро не заметил того, что сегодня кажется нам очевидным. Он так и не смог первым внедрить свою гениальную техническую идею и вскоре умер.

В то же самое время в Соединённых Штатах Америки жил и работал человек, которому суждено было войти в историю развития техники благодаря множеству сделанных им изобретений. Простой перечень этих изобретений и усовершенствований мог бы составить целую книгу. Даже некоторые из них уже позволяли назвать его величайшим изобретателем, но он настойчиво продолжал работать, постоянно конструируя и совершенствуя всё новые и новые приборы, механизмы и приспособления. Таков уж был характер этого человека. Звали его Томас Алва Эдисон.

Эдисон был первым, кому практически удалось осуществить то, о чём издавна мечтали лучшие умы человечества – построить прибор, который мог бы записывать и воспроизводить голос человека. Этот прибор, названный фонографом, явился логическим следствием его многолетней изобретательной деятельности.

Вот как рассказывает сам Эдисон о своём замечательном изобретении: «Однажды, когда я еще работал над улучшением телефона, я как-то запел над диафрагмой телефона, к которой была припаяна стальная игла. Благодаря дрожанию мембраны игла уколола мне палец, и это заставило меня задуматься. Если бы можно было записать эти колебания иглы, а потом снова провести иглой по такой записи, отчего бы пластинке не заговорить? Тогда я решил построить прибор, который работал бы отчетливо, и дал указания моим помощникам, рассказав, что я придумал. Они надо мной посмеялись. Вот и вся история: не уколи я палец – не изобрёл бы фонографа».

Идею фонографа – прибора, служащего одновременно приёмником и передатчиком звука, - подсказали Эдисону предварительные опыты с электромотографом – громкоговорящим телефоном. Гениальная догадка блеснула в ходе последовательных наблюдений. В чём же она состояла?

На первый взгляд в очень простой вещи. Эдисон насадил на винт латунный цилиндр, нарезал на нём спиральную дорожку, обернул станеолем (оловянной фольгой), а сверху укрепил неподвижно мембрану с притупленной стальной иглой. Когда изобретатель начал вращать цилиндр, игла пошла по канавке дорожки, оставляя на мягкой фольге бороздки.

Это и был тот «след звука», который искали столетиями.

Экспериментируя далее, Эдисон запел популярную песенку о Мэри и её маленькой овечке («Mariehadalittlelamb»). Незатейливая мелодия кончалась весёлым припевом: «Ха-ха-ха!». Не прошло и минуты, как его помощники стали свидетелями необыкновенного явления: мембрана, возвращённая на прежнее место, повторила песенку и также весело засмеялась голосом изобретателя.

Цилиндр, вращающийся с заданной скоростью, обратился в хранителя звуков человеческого голоса - в первую на свете фонограмму. Это произошло в декабре 1877 года.

Не будет преувеличением сказать, что самой большой сенсацией 1877 года было появление фонографа Томаса Эдисона. Привыкшая к техническим новинкам американская публика была потрясена. Огромные толпы любопытных хлынули в селение Менло-Парк, где размещалась лаборатория изобретателя, в надежде увидеть собственными глазами «чудо XIX века». В марте 1878 года фонограф демонстрировался во Французской академии наук. В России первого владельца фонографа присудили к трём месяцам тюрьмы за демонстрацию «механического зверя». Позже аппарат показывали в цирках, выдавая его за «необъяснимую загадку природы».

Между тем фонограф быстро завоёвывал популярность и вскоре тысячи фонографов стали покорять страну за страной. Сначала их использовали в роли документатора речевых текстов. По мере того, как росла слава фонографа, расширялся и диапазон его применения. На фоновалики стали записываться видные политические деятели, известные артисты, поэты, писатели, проповедники. Больше всего оценили фонограф собиратели фольклора.

Фонограф – первый переносной звукозаписывающий аппарат массового типа. Он сыграл положительную роль в истории культуры. В государственных архивах России хранятся уникальные валики с голосами Л.Н.Толстого, А.П.Чехова и многих крупнейших деятелей русской сцены конца XIX века. Фонограф служил людям до середины 30-х годов XX века, то есть около шестидесяти лет.

История изобретений знает много случаев, когда открытие, казавшееся второстепенным и бесперспективным, приобретало с прогрессом техники новое значение и даже совершало революцию в своей области.

Так произошло и с аппаратом записи и воспроизведения звуков, описанным Шарлем Кро. Поэт-изобретатель предложил наносить спиральную канавку фонограммы не только на вращающийся цилиндр, но и на диск.

Доказать на практике преимущество этого способа довелось через десять лет немцу Эмилю Берлинеру (1851-1929) – человеку эдисоновского склада.

Уроженец Ганновера, он юношей пересёк океан и начал карьеру рядовым инженером телефонной компании Белла. В 1875 году он работает в Нью – Йорке в лаборатории Фаульберта, а в 1888 году в филадельфийском институте имени Франклина демонстрирует изобретение, названное им граммофоном.

Граммофон – аппарат акустического способа звуковоспроизведения. При этом способе происходит процесс преобразования механической энергии колебания иглы, движущейся по пластинке, в акустическую энергию. Основные частоты характерного шума пластинок расположены в диапазоне 5,5-7 герц.

Берлинер применил в качестве звуконосителя вместо воскового неразмножимого фоновалика металлический, поддающийся дублированию диск. Он же разработал способ массового производства пластинок. В 1888 году Эмиль Берлинер продемонстрировал во Франклиновском институте цинковый кружок с выгравированной фонограммой. Это был прообраз той граммофонной пластинки, которую теперь мы знаем.

Изобретатель покрывал цинк восковой пастой и, нанеся звуковые канавки, протравливал их кислотой. Таким примитивным способом он получал металлическую копию записи.

Лучше всего получить матрицу для тиражирования пластинок из восковых оригиналов можно методом гальванопластики. Гальванопластический способ получения копий нашёл и разработал русский учёный Б.С.Якоби. Берлинер воспользовался его замечательным открытием для изготовления матриц оригиналов грамзаписей. Одна матрица может дать до шестисот неискажённых отпечатков. Первоначально он отливал диски из целлулоида, каучука, эбонита. Его самая первая пластинка храниться сейчас в вашингтонском Национальном музее. Только в 1896 году Берлинер нашёл материал, удовлетворяющий требованиям массового производства. В состав массы входил шеллак – смола органического происхождения. Эту шеллачную композицию он позаимствовал у фирмы, производящей пуговицы. Шеллак выделяется насекомыми, обитающими в Индии, и напоминает канифоль. Он также как и канифоль легко плавится при сравнительно низкой температуре. Но одно свойство резко отличает его от канифоли. Шеллак выдерживает огромные давления при сжатии. Это свойство и является самым ценным для граммофонной пластинки. Кончик граммофонной иглы давит на звуковую канавку с силой около…тонны на один квадратный сантиметр! Обод паровозного колеса давит на поверхность рельса с меньшей силой. Кроме того, стальная игла легко скользит по шеллаку, а это необходимо для получения чистого звука.

Механическая запись звука на пластинку настолько оправдала себя, что сама форма звуконосителя осталась неизменной до наших дней. Удержался на долгие годы и граммофон Берлинера в виде ящика с рупором, пружинным часовым двигателем, тонармом и мембраной. Несмотря на многие недостатки, граммофон быстро проник во все уголки света и, как звуковоспроизводящий аппарат, вытеснил фонограф.

Звук – это волны

Вспомним волны на море. Одна за другой набегают зеленоватые волны на берег. Волны на воде легко получить. Опустите, например , палку в воду одним концом и начните качать её. На поверхности воды появятся волны, которые побегут от палки во все стороны.

Волны существуют не только в воде. Есть они и в воздухе. Только мы не можем их видеть, как видим волны на поверхности воды. Возьмите гитару и резко дёрните у ней басовую струну. Если затем внимательно присмотреться к этой струне, то нетрудно заметить, что она дрожит – колеблется. Колебание струны передаётся воздуху, и в воздухе возникают невидимые воздушные волны – так же, как от колеблющейся в воде палки образуются водяные волны. Невидимые воздушные волны и есть звук.

Звуковые воздушные волны распространяются в воздухе со скоростью приблизительно 340 метров в секунду. Встречая на своём пути какую-либо твёрдую преграду, они заставляют её колебаться так же, как водяные волны заставляют качаться, например, доску, опущенную одним концом в воду.

Вот почему колебания мембраны граммофона (а значит и иглы) волнообразны.

Колебания иглы передаются мембране граммофона, на которой она укреплена. Мембрана приходит в движение и, как поршень, начинает качать воздух, заключённый в рупоре. В рупоре снова образуются воздушные волны. Они расходятся в воздухе и, попадая в наше ухо, заставляют колебаться так называемую «барабанную перепонку». Наш организм воспринимает это колебание как звук. От частоты колебаний зависит высота звука: чем больше число колебаний в секунду, тем выше – «тоньше» звук.

Не все волны, существующие в воздухе, наше ухо воспринимает как звук. Струна, совершающая 30 колебаний в секунду, вызывает в воздухе волны длиной около 11 метров. Это «нижний» предел колебаний воздуха, который человеческое ухо улавливает как звук. Меньшее число колебаний воздуха ухо уже не слышит. Существует также верхний предел звуковых колебаний.

Самое большое число колебаний в секунду, которое человеческое ухо воспринимает как звук, не одинаково для различных людей. Некоторые хорошо слышат звук, состоящий из 16 тысяч колебаний в секунду, что соответствует волнам длиной около 21 мм. Но у большинства людей пределом является примерно 10-12 тысяч колебаний в секунду.

Практическая исследовательская часть проекта.

Мембрана – сердце граммофона. Одна история патентов на эту деталь заняла бы целый том. Маленькая звуковая коробка много лет служила предметом пристальных исследований. Варьировались её размеры и форма, изменялись материалы.

Изучив конструкцию звуковоспроизводящей головки и непосредственно мембраны, мне захотелось провести исследование с целью: установить какой из металлов лучше подходит для изготовления мембраны? Думаю результаты моих исследований в этом проекте будут многим интересны.

Для выполнения эксперимента нам понадобятся:

-инструменты и приспособления: граммофон, носитель звука (граммофонная пластинка), пресс-форма для изготовления мембраны, струбцина, электрический паяльник, шумомер, электронный штангенциркуль, отвёртка;

-материалы: фольга из меди, латуни, алюминия( принято было решение использовать медь и латунь, потому что из них сделаны музыкальные духовые инструменты, которые имеют красивый и сильный звук) , олово для пайки, припой для алюминия, ортофосфорная кислота.

1 этап исследования.

Подготовка и изготовление материальной базы для проведения исследования

- разложим всё необходимое для проведения эксперимента.

- производим замеры : Электронным штангенциркулем измеряем толщину фольги разных металлов.

Медь – 0,05 мм

Латунь – 0,06 мм

Алюминий - 0,05 мм.

- вырезаем из фольги заготовки для получения мембраны диаметром 70 мм.

- помещаем заготовку мембраны в пресс-форму и зажимаем сильно её обе части струбциной, полученные мембраны из разных металлов аккуратно откладываем для последующей сборки.

2 этап исследования.

Сборка звуковоспроизводящих головок с разными мембранами.

1.Пайка иглодержателя.

Нам понадобятся: электрический паяльник, олово, ортофосфорная кислота, припой для пайки алюминия.

Задача: припаять кончик иглодержателя к мембране.

В самом центре мембраны делаем с помощью маленькой часовой отвёртки отверстие. Включаем паяльник в розетку электросети. На медной и латунной мембране обрабатываем поверхность вокруг отверстия ортофосфорной кислотой, на алюминиевой мембране обрабатываем поверхность вокруг отверстия припоем для пайки алюминия. Кончик иглодержателя продеваем в отверстие мембраны. Нагретым жалом паяльника захватываем кусочек олова и производим пайку.

2.Сборка граммофонной головки.

Полученный в результате пайки блок помещаем в корпус граммофонной головки. Мембрану с двух сторон зажимаем резиновыми прокладками. С помощью плоской отвёртки винтами прикручиваем нижнюю часть корпуса граммофонной головки. С помощью винта фиксируем иголку в иглодержателе. Звуковоспроизводящие головки с разными мембранами собраны и готовы к испытаниям.

3 этап исследования.

Проведение эксперимента с целью определения какая звуковоспроизводящая головка громче и чище звучит.

Для чистоты эксперимента будем использовать один и тот же граммофон Ленинградской артели " Граммофон", однотипные неиспользованные граммофонные иголки, одну и ту же граммофонную пластинку. По очереди будем использовать головки с разными мембранами, закрепляя их на тонарме граммофона. Затем заводим ручкой пружинный двигатель граммофона, плавно опускаем головку на пластинку.

С помощью шумомера (используем специальную программу в телефоне) производим замеры громкости звука выдаваемой каждой мембраной. На слух определяем чистоту звука, воспроизводимого каждой мембраной.

Результаты заносим в сводную таблицу.

4 этап исследования.

Подведение итогов эксперимента.

Сравниваем полученные результаты, занесённые в таблицу.

В ходе проведенных нами исследований мы можем сделать следующие выводы:

1.Разные металлы обладают разной пластичностью.

2. Мембраны, изготовленные из разных материалов, звучат с разной силой и чистотой.

2. Громче и чище всех звучит мембрана сделанная из алюминия.

На втором месте мембрана из латуни. Хуже всех показала результаты мембрана из меди.

Вывод

В ходе проведенной мной исследовательской работы я много узнал о свойствах звука, о великих изобретателях и их изобретениях в области звукозаписи. Благодаря их изобретениям мы сегодня можем запросто послушать любую музыку и услышать любого исполнителя, даже прошлых лет. Я научился проводить измерения штангенциркулем, работать с пресс-формой, паять различные металлы, производить сборку, проводить различные исследования. Также я научился на основе исследований составлять таблицы и, основываясь на результатах исследования, делать выводы. Я практически доказал, что лучше всего звучит мембрана, сделанная из алюминия.

Мне очень понравилось исследовать изобретения прошлого. Ведь это позволяет лучше понимать новейшие изобретения и осознать с какой бешеной скоростью двигается технический прогресс. Но в то же время, сделанные в прошлом изобретения в области звукозаписи, позволяют нам, ныне живущим, услышать голоса исторических личностей. Человека нет, но пропетая им песня и прочитанные стихи продолжают звучать. Память о его голосе хранят микроскопические бороздки на чёрном диске.

Список источников

1. В.Ф.Волков-Ланнит. Искусство запечатлённого звука. Очерки по истории граммофона. Издательство «Искусство». Москва, 1964г. Тираж 10000 экз.

2. В.Д.Охотников. В мире застывших звуков. Серия: Научно-популярная библиотека солдата и матроса. Военное издательство министерства вооружённых сил СССР. Москва, 1948г.

3. А.Железный. Наш друг - грампластинка. Записки коллекционера. Издательство «Музычна Украйина». Киев, 1989г. Тираж 15000 экз.

4. Глеб Скороходов. Тайны граммофона. Всё неизвестное о пластинках и звёздах грамзаписи. Издательство «Алгоритм». Москва, 2004г. Тираж 3100 экз.

Приложения

Басня «Граммофон и патефон»

В антикварном магазине

Положили на витрине

Граммофон и патефон.

Целый день они молчали,

Всё друг друга изучали.

И под самое закрытье

Всё ж затеяли свой спор.

«Что за странное созданье

Сбоку от меня стоит?

Ни трубы, ни буйства красок,

Дерматином весь обшит.

Ни единого убранства,

Где же бронза, где же медь?

Ты, наверно, патефончик

Не умеешь даже петь».

«Ты огромен, граммофон,

У меня же тише фон.

Ну а что, что нет трубы-

Это Кеммлера труды.

И в отличье от тебя

Портативным сделан я.

И меня с собой берут

И на отдых, и на труд”.

Затянулся данный спор:

”У меня мощней мотор.

Я красивый”. ”А я — громкий.

Дам до сотни децибел”.

Разрешить их спор жестокий

Лишь фонограф и посмел:

”Соревнуетесь в достатках

Пред хозяевами тут,

А поёте под пластинку,

Что они на вас кладут”.

Шпагин А.В.

«Консервы звуков»

Фотографии различных старинных носителей звука

1.Картонный перфорированный диск от органетты (шарманки) «ARISTON», конец 19-го века.

2.Металлический диск от музыкальной шкатулки POLYPHON, конец 19-го века.

3.Восковой валик от фонографа Эдисона, конец 19-го века.

4.Граммофонная пластинка фирмы «Berliner's Gramophone», 1901 год.

5.Граммофонная пластинка с записью голоса великого русского тенора Леонида Витальевича Собинова и его фотография, 1906 год.