XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Способы уменьшения влияния механических волн звукового диапазона на человека

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Заболоцкий Г.Е. 1Лысенко М.М. 1Фитенко Я.В. 1

---

1ФГКОУ СПКУ

Лазаренко Н.А. 1Минасян Н.Х. 1

---

1ФГКОУ СПКУ

Работа в формате PDF

376.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Для человека, как и всех живых организмов, звук является одним из важных и необходимых воздействий окружающей среды. С древних времён человек прислушивался к звукам, царившим вокруг него, и старался воспроизвести или придумать их различные сочетания. Так появилась музыка и музыкальные инструменты.

Однако, даже восприятие музыки – организованного и гармоничного сочетания по высоте и времени звуков, воспринимается разными людьми совершенно по-разному. Например, Гюго называл это неприятным шумом, Наполеону это расстраивало нервы, Дарвину помогало сосредоточиться, Суворов же считал, что это должно быть громким.

Человек сам является источником звуков и шумов. В литературе встречается такое понятие, как музыкальный шум. Под этим понимают звуковой поток, составляющий смесь звуков, где шумовая составляющая преобладает над ритмической.

На наш взгляд, к музыкальному шуму относится настройка музыкальных инструментов и одновременное разучивание партий для каждого инструмента.

Актуальность. В нашем училище вот уже второй год существует духовой музыкальный оркестр. Местом постоянных репетиций является кабинет, находящийся в здании, где располагается КПП № 1 – пост охраны училища. Как влияет на самочувствие служащих данное соседство? Также мы обратили внимание на то, что, находясь в холле КПП №1 во время репетиции духового оркестра СПКУ, чувствуешь себя дискомфортно от того, что плохо слышно собеседника или распоряжения воспитателей.

Мы решили замерить уровень звука в различных помещениях и после обработки данных пришли к выводу, что по субъективным оценкам такое соседство может вызывать дискомфорт.

Наша работа над данным проектом вызвана желанием узнать, как влияет музыкальный шум на человека и, особенно, как можно уменьшить его воздействие на сотрудников и обучающихся.

Проблема: как можно уменьшить воздействие музыкального шума на, на служащих охраны, посетителей и кадет, находящихся в кабинете ОБЖ и технологи.

Гипотеза: если место репетиции духового оркестра и кабинета музыки является местом постоянной дислокации, значит необходимо найти варианты уменьшения влияния музыкального шума на организм человека с помощью применения звукоизоляционных материалов.

Цель: исследовать звукоизоляционные материалы для уменьшения влияния музыкального шума на организм человека.

Задачи:

1. Изучить и проанализировать научную литературу по проблеме исследования.

2. Установить, что такое акустический звук и каковы его характеристики.

3. Изучить строение и функции органа слуха.

4. Выяснить влияние звуков на организм человека.

5. Познакомиться с различными видами звукоизоляционных материалов.

6. Изготовить экспериментальную установку для исследования уровня звукопоглощения различными материалами.

7. Провести исследование различных звукопоглощающих материалов.

Объект исследования – акустическая среда помещения поста охраны КПП № 1 СПКУ, кабинет музыки, кабинет технологии.

Предмет исследования: звукоизоляционные материалы как фактор уменьшения громкости звука.

Методы исследования: теоретический анализ научной литературы, опытно-экспериментальная работа, наблюдение, беседа, анкетирование.

Новизна данной работы для нас заключается в том, чтобы изучить звук как физическое явление, проанализировать пригодность звукоизоляционных материалов и попытаться разработать рекомендации для уменьшения влияния громкости звука на сотрудников СПКУ и кадет, занимающихся в кабинетах, соседствующих с помещениями повышенного уровня громкости звука.

1. Механические волны звукового диапазона (акустический звук)

1. 1. Звук и его характеристики

Звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде.

Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16 – 20 Гц до 15 – 20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, а выше– гиперзвуком.

Существует три категории звуков:

1. Музыкальные – обладают определенной высотой, громкостью, тембром и другими характеристиками; считаются самыми организованными, отличаются богатством динамических и тембровых свойств.

2. Шумовые – звуки, у которых высота неопределенная. К таким относится морской шум, свист ветра, скрип, щелчки и многие другие.

3. Звуки без фокусированной высоты.

З вуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1). Рис. 1. Звуковая волна

Р аздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2). Рис. 2. Распространение звуковой волны

К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна 340 м/с.

С уществуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны звуковых волн

С корость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

В воздухе скорость звука при 0⁰С равна 331м/с, при 1⁰С скорость увеличивается на 0,7м/с. Известно, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее - 5000м/с.

Мы знаем из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Рассмотрим источник волны и упругую среду. Если источник звука будет совершать гармонические колебания, то возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля.

Громкость определяется амплитудой колебаний (амплитуда колебаний (лат. amplitude — величина) – это наибольшее отклонение колеблющейся величины от положения равновесия).

Рис. 6. Громкость звука

Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого – высота. От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 7).

Рис. 7. Высота звука

Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.

Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн — это тембр. Те́мбр (фр. timbre – колокольчик, метка, отличительный знак) – (обертоновая) окраска звука; одна из специфических характеристик музыкального звука (наряду с его высотой, громкостью и длительностью).

1. 2. Орган слуха, его строение и функции

Высота, частота, тембр и длительность воздействия звука воспринимается человеком с помощью органа слуха – части слухового анализатора, функциями которого является восприятие и анализ звуковых раздражений.

В связи с особенностями строения и выполняемыми функциями различают три отдела слухового анализатора:

• периферический (слуховые рецепторы в полости внутреннего уха),

• проводниковый (слуховой нерв),

• центральный (слуховая зона височной доли коры больших полушарий).

П ериферический отдел анализатора представлен органом слуха, расположенном в толще височной кости черепа. Наружное ухо представлено слуховым проходом и ушной раковиной, которые улавливают и направляют звук к барабанной перепонке – тонкой полупрозрачной пластинке, отделяющей наружное ухо от среднего. Под воздействием звуковых волн барабанная перепонка может менять своё натяжение, преобразуя звуковые волны в механические колебания, которые передаются на подвижную систему косточек среднего уха.

Рис. 8. Строение уха

С внутренней стороны, в центральной части, к барабанной перепонке прикрепляется рукоятка молоточка – часть первой слуховой косточки среднего уха. Другая часть молоточка – головка – подвижно сочленена с наковальней, которая в свою очередь сочленена со стремечком, последнее соединено посредством фиброзной связки с краем окна преддверия, т.е. звук передается на внутреннее ухо.

Следовательно, рычажный механизм среднего уха и разность площадей барабанной перепонки и основания стремени усиливают звук в среднем ухе. Вибрирующая поверхность барабанной перепонки примерно в 17 раз больше поверхности основания стремечка, в связи с этим звуковая энергия возрастает в 17 раз. Рукоятка молоточка примерно в 1,3 раза длиннее короткого отростка наковальни, поэтому сила на стремечко возрастает в 1,3 раза. Комбинация этих эффектов приводит к возрастанию силы звука до 33 дБ. Система среднего уха наиболее эффективно передает звуковые частоты 500-3000 Гц.

Внутреннее ухо состоит из костного и вставленного в него перепончатого лабиринта. Костный лабиринт состоит из трех отделов: преддверия, улитки и трех полукружных каналов.

Преддверие – полость небольших размеров и неправильной формы, на наружной стенке которого расположены два окна (круглое и овальное), ведущие в барабанную полость. Передняя часть преддверия сообщается с улиткой через лестницу преддверия. Задняя часть содержит два вдавления для мешочков вестибулярного аппарата.

Улитка – костный спиральный канал в 2,5 оборота. Ось улитки лежит горизонтально и называется костным стержнем улитки. Вокруг стержня обвивается костная спиральная пластинка, которая частично перегораживает спиральный канал улитки и делит его на лестницу преддверия и барабанную лестницу. Между собой они сообщаются только через отверстие, находящееся у верхушки улитки.

Перепончатый лабиринт заполнен эндолимфой и состоит из:

• перепончатой улитки, или улиткового протока, продолжение спиральной пластинки между лестницей преддверия и барабанной лестницей. В улитковом протоке находится слуховые рецепторы – спиральный, или кортиев, орган;

• трех полукружных каналов и двух мешочков, расположенных в преддверии, которые играют роль вестибулярного аппарата.

Между костным и перепончатым лабиринтом находится перилимфа – видоизмененная спинномозговая жидкость.

На пластинке улиткового протока, которая является продолжением костной спиральной пластинки, находится кортиев (спиральный) орган.

Спиральный орган отвечает за восприятие звуковых раздражений. Он выполняет роль микрофона, трансформирующего механические колебания в электрические.

Кортиев орган состоит из опорных и чувствительных волосковых клеток. Волосковые клетки имеют волоски, которые возвышаются над поверхностью и достигают покровной мембраны. Последняя отходит от края спиральной костной пластинки и свисает над кортиевым органом.

При звуковом раздражении внутреннего уха возникают колебания основной мембраны, на которой расположены волосковые клетки. Такие колебания вызывают растяжение и сжатие волосков о покровную мембрану, и порождают нервный импульс в чувствительных нейронах спирального ганглия.

Таким образом, колебания, передающиеся на овальное окно, приводят в движение перилимфу. Через стенки перепончатого лабиринта колебания перилимфы вызывают колебания эндолимфы, которые в свою очередь вызывают раздражение рецепторных клеток кортиева органа – волосковых клеток, которые генерируют нервные импульсы, идущие по слуховому нерву в височную долю коры больших полушарий (центральный отдел слухового анализатора).

Первичные слуховые центры служат для восприятия слуховых ощущений, вторичные – для их обработки (понимание речи и звуков, восприятие музыки).

1. 3. Влияние звуков на организм человека

Наука, изучающая влияние звука и шума на функции организма, называется аудиология.

Многочисленные исследования установили, что любые звуки могут как благоприятно, так и пагубно влиять на организм человека. Шелест листьев, или шум воды, оказывают успокаивающее действие, помогает расслабиться, снимает стрессы. А вот городской шум, гул колокольного звона, может нанести вред организму. Безвредный уровень шума считается для человека 20 – 30 дБ, чаще всего это естественный звуковой фон. Звук, около 80 дБ допустимая граница громких звуков, но если превысить шум в 130 дБ, то это уже вызывает у человека болезненные ощущения, свыше 150 дБ становится для него нестерпимым.

Ещё в прошлом веке было замечено, а в дальнейшем доказано, что музыкальные звуки влияют на организм человека. Под воздействием музыкальных нот у человека может изменяться артериальное давление, глубина, а также ритм дыхания, частота сердечных сокращений. Неприятные же звуки вызывают головную боль, тошноту, снижается внимание и восприятие.

Снятие стресса и улучшение психического здоровья – это лишь некоторые из преимуществ, которые может дать музыкальная терапия.

Общеизвестный факт – музыка полезна для индивидуального физического, психологического и социального благополучия. Исследования показали, что музыканты духовых оркестров отмечают улучшения состояния дыхательной и сердечно-сосудистой систем, общей физической подготовки.

2. Акустические (звукоизоляционные) материалы

2.1. Виды звукоизоляционных материалов

Звукоизоляция – это метод снижения уровня шума. Количественная мера звукоизоляции ограждающих конструкций выражается в децибелах. Как известно, звук – это продольная волна. При столкновении с преградой, например, со стеной, звук частично отражается от нее, часть энергии поглощается телом перегородки, а часть – проникает в смежное помещение.

Сколько энергии в конечном итоге достигнет вашего уха, зависит как от громкости звука (ведь чем он громче, тем выше энергия волны), так и от структуры препятствия.

Современная звукоизоляция учитывает природу шума и способ его распространения, поэтому в ней применяются разнородные звукопоглощающие материалы. По своей структуре они представляет собой пористые или волокнистые материалы. Многочисленные хаотично расположенные волокна или поры, между которыми находится воздух, рассеивают энергию звуковой волны, поглощая звук.

Решая конкретную проблему, можно изолировать только тот участок, за которым находится источник беспокойства. Однако, необходимо учитывать структурный шум, создаваемый ударными инструментами, который распространяется по жестким конструкциям стен и перекрытий.

В современной строительной сфере наиболее популярными и распространенными (согласно общепринятой классификации) являются следующие виды звукоизоляционных материалов:

• минеральная вата (поглощает звуки воздушного и ударного происхождения);

• пенополистирол (поглощает звуки ударного происхождения);

• вязкоэластичные мембраны (высокоплотный синтетический материал для различных поверхностей);

• вспененные полимеры (для звукоизоляции отдельных частей помещений, как правило, для студийных помещений);

• сэндвич-панели (широко распространены, преимущества – крепятся непосредственно к стенам);

• натуральная пробка (высококачественный звукоизоляционный материал);

• целлюлозные материалы (эковата) (применяется для разных типов шумов и разных помещений);

• пеностекло (высокая прочность, стойкость к воздействиям агрессивных химических соединений, пожарная безопасность);

• резиновые звукоизоляторы (поглощения ударные типы шумов);

• шумоизолирующие подложки (подложки под напольное покрытие подавляют ударные шумы).

Обеспечение комфортной акустической среды – это одно из основных функциональных требований любого помещения.

2.2. Звукоизоляция в учебных заведениях

Согласно нормам СанПиНа, уровень шума в аудиториях и библиотеках не должен превышать 47дБ. Требования эти вовсе не случайны: только в условиях комфортной акустики можно организовать эффективный образовательный процесс.

Очевидно, что усвоение учебного материала лучше происходит в спокойной атмосфере. В тишине учащимся проще сосредоточиться на изучаемом предмете, а преподавателям не приходится повышать голос, чтобы донести информацию до обучающихся. Пусть это не единственное условие продуктивности образовательного процесса, но, несомненно, одно из самых важных. И к тому же легко достижимых – посредством применения звукоизоляционных материалов и конструкций. Поэтому учебные заведения проводят работы по звукоизоляции.

Какие именно мероприятия потребуются и что за материалы использовать?

Единого решения по звукоизоляции учебных заведений не существует.

3. Экспериментальная часть

   1. Сбор информации

В беседе с начальником музыкального оркестра Ивановым Ильей Владимировичем мы выяснили, что существуют требования к оформлению помещений для репетиций военных оркестров.

На основании Положения о Военно-оркестровой службе Вооруженных Сил Российской Федерации зал для репетиций оркестра предназначается для всех видов репетиционных работ с полным составом оркестра. Площадь на каждого артиста оркестра принимается не менее 2 м² и объем - не менее 7 м³. Одним из основных требований к размещению и оборудованию зала для репетиций оркестра, является его полная акустическая изоляция.

Для защиты органов слуха окружающих – это должны быть отдельно стоящее здание или помещения, которые оборудованы звукопоглощающими материалами. Кроме этого, для повышения качества репетиционного процесса, правильного отражения звуковой волны и восприятия ухом музыканта, помещение, где проводятся репетиции оркестра, должно быть отделано звукоотражающим материалом. Все поверхности должны обеспечивать равномерное распределение прямой и отраженной звуковой энергии, необходимо исключать возможность возникновения эха и концентрации звуковых отражений.

Руководитель оркестра продемонстрировал нам звукоотражающие материалы, которые они подобрали для отделки помещения.

3. 2. Экспериментальная проверка звукоизоляционных материалов

Эксперимент 1. Проверка звукоизоляционных материалов на звукопоглощение

Вывод по эксперименту: на основании полученных данных можно утверждать, что наиболее эффективным звукопоглощающим материалом является образец № 1 – вспененный полимер (2-х-слойный), его уровень поглощения составляет 17,1%.

Эксперимент 2. Проверка комбинированных звукоизоляционных материалов на звукопоглощение

Вывод по эксперименту: сочетание разичных материалов повышает качество звукоизоляции. Наиболее эффективными являются сочетания 1+4 (вспененный полимер (2-х-слойный) + шумоизолирующий войлочный материал) и 1+3 (вспененный полимер (2-х-слойный) + изолирующий поролон (3мм)) материалов, что составляет 21,5% и 19,8% соответственно.

3. 3. Исследование уровня звука в различных расположениях помещений СПКУ

Эксперимент 3. Исследование уровня звука в расположении духового оркестра СПКУ

Вывод по эксперименту: уровень звука при репетиции музыкального оркестра характеризуется как «шумно» (65 – 70 дБ) и «крайне шумно» (105 дБ), что может неблагоприятно сказаться на общее состояние организма человека.

Эксперимент 4. Исследование уровня звука в кабинетах технологии и соседних помещениях

Вывод по эксперименту: работа фрезерного станка в кабинете № 1 достигает характеристики «очень шумно» и создаёт дискомфорт при проведении занятий в смежном кабинете и коридоре.

Эксперимент 5. Исследование уровня звука в кабинете музыки и соседних помещениях

Вывод по эксперименту: уровень звука при прослушивании музыкальных произведений соответствует характеристике «отлично слышно», однако, во время исполнения песен кадетами характеризуется, как «очень шумно».

Эксперимент 6. Замеры звукового фона в различных локациях училища на переменах

Вывод по эксперименту: на переменах, при большом скоплении воспитанников в определённой части пространства, отмечается около 80 дБ, что характеризуется как допустимая граница громких звуков, в гардеробе, уровень в 90 дБ, можно охарактеризовать, как «очень шумно».

Выводы и рекомендаци

Для сохранения хорошего самочувствия и нормальной работоспособности человека важно соблюдать звуковой режим. Комфортный уровень акустики для нормальной организации образовательного процесса не должен превышать 47дБ.

В ходе проведения исследования и на основании анализа результатов мы выяснили, что образец №1 – вспененный полимер (2-х-слойный) наиболее эффективно поглощает звуковые колебания.

В связи с этим, считаем целесообразным:

• рекомендовать данный материал для использования в учебных, служебных и жилых помещениях;

• оборудовать помещение, в котором располагается духовой музыкального оркестр, звукопоглощающими и звукоотражающими материалами, так как использование данных материалов повысит степень защиты от звукового шума музыкантов оркестра, сотрудников КПП № 1 и посетителей;

• предусмотреть дополнительную звукоизоляцию для кабинетов технологии и музыки;

• рекомендовать отделку стен звукоизоляционными материалами в домах с повышенным уровнем звукопроницаемости.

В перспективе планируем продолжить исследования влияния звуковых волн на работоспособность, память и внимание человека.

Список литературы:

1. Физика, 8 кл.: учебник/ А.В.Перышкин.-М.: Дрофа, 2022.

2. Биология. 8 класс: учеб. для общеобразовательных учреждений /В. В. Пасечник, А. А. Каменский, Г. Г. Швецов; под ред. В. В. Пасечника; изд-во «Просвещение». - М.: Просвещение, 2022. - 255 с .: ил.

3. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики: Кн. Для учителя: Из опыта работы. - М.: Просвещение, 1998. - 159 с.

4. Энциклопедия для детей. Физика, т. 16, ч. 2 М.: Аванта, 2000 г.

5. https://studfile.net/preview/1729147/page:4/

6. http://www.fizika.ru/

7.https://ru.wikisource.org/wiki/Приказ_Министра_обороны_РФ_от_22.11.1996_№_417/Руководство_по_организации_деятельности_штатных_военных_оркестров_ВС_РФ#II._РАЗМЕЩЕНИЕ_ОРКЕСТРА