XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

В мире «неслышимых» звуков. Ультразвук на службе человечества

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Богатырёв М.В. 1Гнездюков Д.А. 1

---

1ГБОУ Школа 2083 г. Москвы

Сенченко О.В. 1

---

1ГБОУ Школа 2083 г. Москвы

Работа в формате PDF

240.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение:

На экспериментальном кружке мы узнали, как рождается звук, провели опыты, которые помогли нам увидеть колебания которые спровоцированы звуком. Но оказалось, что в природе есть звуки, которые не слышит человеческое ухо, но зато хорошо слышат и реагируют на эти звуки животные, например: крысы, мыши, кошки, собаки, летучие мыши, дельфины, киты, бабочки, кузнечики, саранча, сверчки, комары, некоторые виды рыб и птиц. Благодаря этому они могут хорошо ориентироваться в пространстве в ночное время, и общаться со своими сородичами. Киты и дельфинымогут посылать информацию на десятки тысяч километров. 

Человек слышит низкие звуки гудков паровозов и пароходов, высокие звуки щебетания птиц и соловьиной песни.

Но мы слышим далеко не все низкие и не все высокие звуки. 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».

Человек тоже умеет «слышать» ультразвуки, но только с помощью приборов. Такие приборы называются ультразвуковыми генераторами и приемниками.

Мы решили исследовать это явление, узнать об ультразвуке побольше, провести ряд испытаний, чтобы достоверно понимать с чем мы имеем дело.

Исследуя ультразвук, мы решили создать прибор, который будет помогать людям в период опасного распространения клещей. Каждую весну взрослые нас ограничивают в прогулках по парку, среди деревьев, да даже просто по лугу не пускают гулять, потому что клещи очень опасны.

Клещ — очень маленькое насекомое, всего несколько миллиметров в длину. Для человека опасны клещи, переносящие различные заболевания. Если такой клещ укусит человека, может развиться тяжелейшая болезнь — энцефалит. Наибольшую опасность клещи представляют весной и в начале лета. Их много там, где есть буйная травяная растительность, заросли кустарников или многочисленные деревья. Поэтому при прогулках в лесу или парке нужно ходить только по тропинкам или дорожкам, а на тропинках играть не так интересною

Люди придумали специальную жидкость, которая действует на клещей. Для того чтоб сделать территорию безопасной нужно обработать этой акарицидной жидкостью всю площадь парка. Люди, которые работают в сфере акарицидной обработки постоянно подвергаются риску быть укушенными клещом, А еще им очень сложно обойти пешком всю площадь парка, на то что бы обойти пешком все участки может потребоваться много времени. Мы решили, что ультразвук, который превращает воду в мельчайшие капли тумана нам очень поможет.

Ультразвук нашел применение в различных сферах жизни человека. У нас появилось противоречие: мы знаем о том, что ультразвук существует, но услышать его невозможно. То есть существует звук, который никто не слышит! Для того чтобы зафиксировать ультразвук (невидимый глазами и неслышимый ушами) мы провели ряд экспериментов.

Цель проекта: используя возможности ультразвука расщеплять воду в мелкодисперсные капли тумана, создать прибор дистанционной акарицидной обработки местности, противоковидной обработку местности, противоэпидемиологической обработки местности.

Задачи проекта:

• определить какие звуковые волны можно считать ультразвуковыми

• Изучить информацию где в природе используется ультразвук

• Изучить информацию, как человек использует ультразвук

• Провести испытания для проверки работы ультразвука, как эффективного инструмента в разных сферах человеческой жизни.

• Разработать модель устройства для дистанционной обработки местности (используя беспилотные летательные аппараты)

• Создать модель аппарата позволяющего дистанционно обрабатывать местность используя ультразвук.

• Провести испытания прибора на макете.

Основная гипотеза: если установить ультразвуковой расщепитель жидкости на беспилотный летательный аппарат, это позволит бесконтактно обрабатывать местность от клещей, ковида и других нашествий насекомых или вирусных эпидемий.

В ходе опытных испытаний проверка оперативных гипотез:

1. Мыши могут услышать ультразвук, который не слышит человек?

2. Ультразвук создает в воде колебания, которые могут избавить одежду от загрязнений (вытолкнуть частицы грязи застрявшие между волокнами ткани)?

3. Ультразвук точно измеряет расстояние до препятствия и помогает при парковке?

4. Ультразвук разрывает каплю воды на микрокапли, создавая туман?

Методы исследования:

• сбор и анализ информации,

• практические опыты для проверки собранной информации

• моделирование на бумаге

• конструирование

• испытания

• анализ ошибок

Оборудование:

• Клетка и лабораторные мыши,

• устройство ультразвуковой отпугиватель мышей «Экоснайпер» LS-919 частота 21 кГц, ультразвуковая стиральная машинка мини «Золушка» частота 45 кГц,

• квадрокоптер радиоуправляемый,

• модуль увлажнителя воздуха с пьезоизлучателем частота 110 кГц

2. Теоретическая часть

Применение ультразвука в современном мире

В настоящее время, ультразвук широко применяется в разных сферах жизнедеятельности человека и является его верным помощником.

Где же в современном мире может применяться человеком ультразвук? Рассмотрим наиболее частое применение ультразвука, например:

1. В медицине.Наверняка каждому из вас делали в поликлинике УЗИ внутренних органов. Аппарат УЗИ тоже использует «неслышимые» звуки. Врач прижимает датчик аппарата к вашему телу, смазанному специальной смазкой и видит на экране ваши внутренние органы.

Ультразвук в аппарате УЗИ проникает в тело человека на глубину 5-6 см и врач видит, что у вас внутри! Он может оценить состояние вашего здоровья и дать заключение за достаточно короткий промежуток времени.

Ультразвук применяется в медицине также с целью оздоровления. «Неслышимые» звуки небольшой силы не оказывают никакого вреда человеку, но обладают целительной силой.

Они укрепляют организм, снимают боль, снижают кровяное давление при гипертонической болезни, помогают при невралгии, артрите, экземе. Можно принимать ультразвуковые ванны. Тогда «неслышимые» звуки воздействуют на человека через воду. Они помогают зубному врачу. Пациент вместо боли ощущает приятную теплоту.

«Неслышимый» звук используют при лечении органов пищеварения. Ультразвук нашел свое применение в хирургии при переломах костей. Ультразвуком лечат радикулит.

2. В военных целях. В 1912 году русский инженер К. В. Шиловский изобрел прибор для предотвращения столкновений судов с айсбергами и массивными льдинами. Работа этого прибора основана на принципе подводной звуковой эхолокации.

Эхолокация - это отражение ультразвука, радиоволн и звука от различных поверхностей, находящихся на разном расстоянии друг от друга под водой.

Одним из приборов эхолокации является 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 айсберги, подводные рифы.

Теперь все действия и подводных лодок и надводных кораблей зависят от показаний гидроакустических приборов эхолотов, от четкой и грамотной работы специалистов - гидроакустиков. Гидроакустик первым обнаруживает противника, по его данным командир корабля принимает решение.

3. В физике. Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника. Ультразвук применяют в радиоэлектронных системах обработки и передачи информации.

4. В промышленности. С помощью ультразвука можно дробить камни в мельчайший порошок, сверлить и резать металлы и сверхтвердые материалы, смешивать плохо смешивающиеся жидкости.

С помощью ультразвука производится механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов. Сейчас с успехом используется ультразвуковая сварка металлов.

Также ультразвук используется для выявления внутренних дефектов в металлических конструкциях и сварных швах.

5. В природе. Например, летучие мыши, используют при своих ночных полетах эхолокацию. Они испускают ртом специальные сигналы и могут обходить при полете различные препятствия и не сталкиваться с ними.

Дельфины тоже могут подавать эхолокационные сигналы, которые служат для исследования обстановки и обнаружения препятствий. Так в морях и океанах дельфины без труда ориентируются и обходят разные препятствия.

С помощью ультразвука дельфины общаются друг с другом и обнаруживают объекты в окружающей среде.

А еще с помощью ультразвука дельфины могут лечить людей. Ультразвук, издающий дельфином, но который не слышит человек, может массировать тела людей, помогает им восстанавливаться после травм и заболеваний, снижает боль и воспаление.

В дельфинариях очень часто проводят сеансы оздоровления детей, на которых дети плавают вместе с дельфинами, держаться за них, обнимают их.

Это оказывает очень целебное действие на организм ребенка.

Возможные перспективы использования ультразвука в ближайшем будущем

Наука не стоит на месте и сейчас ученые разрабатывают новые интересные приборы с использованием ультразвука, которые изменят наше будущее, например:

- По-настоящему неосязаемые телефоны.

Одна компания использует ультразвук для эффективного создания невидимых кнопок в воздухе, которые можно просто почувствовать. 

- Очки для слепых.

Еще одно возможное медицинское применение ультразвука может помочь слепым людям «видеть» так же, как летучие мыши видят при помощи эхолокации.

Ученые из Калифорнии создали ультразвуковой шлем, который посылает ультразвуковые волны, которые преобразуется в слышимые звуки и которые человек может научиться превращать в мысленный снимок окружающей среды.

Кажется, что это просто фантастика!

Но ведь 100 лет назад и приборы УЗИ были фантастикой.

Профессий у ультразвука с каждым годом становится все больше и больше. Сейчас ультразвук помогает в обороне страны, лечит людей, помогает в научных открытиях, стирает белье, сшивает ткани, контролирует качество сварных швов и отливок.

Практическая часть.

Для подтверждения или опровержения наших версий мы провели ряд экспериментов

Гипотеза №1

Мыши могут слышать ультразвук?

Чтобы проверить гипотезу мы используем для этого оборудование – излучатель ультразвука с частотой 25000 колебаний в секунду. Для эксперимента мы использовали двух белых мышей.

Грызуны обитают рядом с людьми тысячи лет. Они уничтожают плоды нашего труда, распространяют смертельно опасные болезни, перекусывают кабели связи, могут даже укусить.

Человек придумал прибор, излучающий ультразвук, который не переносят крысы и мыши,

Генератор ультразвука - используются на дачах, на складах, в огородах и больших производственных помещениях. Прибор воздействует на грызунов ультразвуком, который для них невыносим. Грызуны могут слышать ультразвук.

Эксперимент 1

В ходе эксперимента были взяты 2 белые мышки. Они были посажены в клетку. В клетке они быстро освоились, ели корм, спали, бегали в колесе. Рядом с клеткой размещался ультразвуковой излучатель 25000 колебаний в секунду (25 кГц). Включение ультразвукового излучателя проводили в момент, когда поведение мышей было стабильно и предсказуемо. В момент сна и в момент приема пищи. Наблюдения за мышами и их поведением при включённом ультразвуке проводились ежедневно в течение 2-х недель исключая выходные.

Наблюдения: мыши меняли свое поведение примерно через5-7 минут после включения ультразвукового излучателя. Их поведение становилось беспокойным, они прерывали потребление пищи, увеличивалось раздражение мышей друг на друга, они начинали кусать друг друга. Ультразвук оставался включенным 1,5-2 часа. После выключения беспокойное поведение мышей сохранялось еще от 10 до 20 минут.

Результат эксперимента: Гипотеза подтвердилась: Мыши могут слышать ультразвук. Дополнительный вывод: Непрерывный ультразвук в 25000 колебаний в секунду неприятен для мышей и раздражает их.

Гипотеза№2

Следующая гипотеза об ультразвуке – можно ли с помощью ультразвука стирать одежду? Мы предположили что ультразвук создает в воде колебания, которые могут избавить одежду от загрязнений (вытолкнуть частицы грязи застрявшие между волокнами ткани)?

Эксперимент 2

В ходе эксперимента была взята белая школьная футболка. Футболка была специально загрязнена школьной пылью. В качестве источника ультразвуковых колебаний был использован электрогенератор преобразующий электричество в ультразвук частотой 45000 колебаний в секунду. Футболка была погружена в стиральный раствор вместе с прибором. Через 12 часов была проведена проверка. Частично загрязнения с футболки были удалены. Но часть загрязнений осталась.

Результат эксперимента: Гипотеза подтверждена. Звуковые волны могут помочь отслоиться загрязнениям от волокон одежды. Дополнительный вывод: в качестве инструмента для стирки малоэффективен. Возможно нужен новый эксперимент с увеличением излучающей мембраны или с увеличением частоты колебаний.

Гипотеза №3

Еще одна гипотеза об ультразвуке – можно ли с помощью ультразвука парковать автомобиль задним ходом? Мы считаем; что отражение ультразвуковых сигналов помогает водителям определять расстояние до столкновения.

Что же такое из себя представляет этот прибор и как ультразвук помогает парковаться?

Задний парктроник представляет собой устройство, состоящее из ультразвуковых датчиков, блока управления, дисплея для отображения расстояния, а также динамика для звукового оповещения.

Парковочный радар работает следующим образом. При включении передачи заднего хода автоматически включаются датчики (обычно их 4), расположенные в заднем бампере автомобиля.

Датчики посылают ультразвуковой сигнал, а затем фиксируют отраженный сигнал. На основании этих данных вычисляется расстояние до ближайших объектов, которое схематически отображается на дисплее.

Кроме того, о приближении к препятствию сигнализирует и звуковой сигнал, частота которого зависит от расстояния до препятствия.

Эксперимент 3

Мы провели наблюдения и измеряли расстояние. Наблюдали за датчиком ультразвукового парктроник в автомобиле (за рулем была Оксана Валерьевна) и сравнили с реальным результатом. При парковке в автомобиле срабатывает система парктроник, показывая сколько см до объекта. Измерили реальный результат сантиметровой лентой, оказалось, что парктронник всегда немного ошибочно давал информацию. Он ошибается примерно на 7-10 см. Но возможно это заложено программой для безопасности.

Результат эксперимента: гипотеза подтверждена. Ультразвук помогает определять расстояние до объекта и помогает при парковке автомобиля.

Гипотеза №4

Ультразвук своими высокочастотными колебаниями разрывает каплю воды превращая ее в туман.

Эксперимент 4

В ходе эксперимента был взят модуль увлажнителя воздуха с пьезоизлучателем частотой 110 000 колебаний в секунду. Питание от электричества. На мембрану пьезоизлучателя подавали каплю воды – она мгновенно разрывалась на микрочастицы превращаясь в пар.

Результат эксперимента: гипотеза подтвердилась. Ультразвук способен превращать воду из жидкости в туман.

После серии экспериментов мы подошли к основной гипотезе.

Гипотеза Можно использовать ультразвук для создания прибора дистанционной обработки местности веществами разведенными в воде.

Поверка гипотезы на макете

Для проверки гипотезы была разработана модель прибора. На платформу (пенопласт) была закреплен модуль увлажнителя, портативный аккомулятор для передачи электроенергии, резервуар с жидкостью (воздушный шар) регулятор подачи жидкости (губка). Эта платформа прептся на нижнюю часть корпуса квадрокоптера и с помощью пульта направляется на

Исследуя ультразвук, мы решили создать прибор, который будет помогать людям в период опасного распространения клещей.

Каждую весну взрослые нас ограничивают в прогулках по парку, среди деревьев, да даже просто по лугу не пускают гулять, потому что клещи очень опасны.

Клещ — очень маленькое насекомое, всего несколько миллиметров в длину. Для человека опасны клещи, переносящие различные заболевания. Если такой клещ укусит человека, может развиться тяжелейшая болезнь — энцефалит. Наибольшую опасность клещи представляют весной и в начале лета. Их много там, где есть буйная травяная растительность, заросли кустарников или многочисленные деревья. Поэтому при прогулках в лесу или парке нужно ходить только по тропинкам или дорожкам, а на тропинках играть не так интересною Люди придумали специальную жидкость которая помогает сделать места для игр и выгула собак безопасными. Люди, которые работают в сфере акарицидной обработки постоянно подвергаются риску быть укушенными клещом, А еще им очень сложно обойти пешком всю площадь парка, на то что бы обойти пешком все участки может потребоваться много времени. Мы решили, что ультразвук, который превращает воду в мельчайшие капли тумана нам очень поможет.

Мы знаем, что туман обладает большей проникающей способностью, чем струи или крупные капли, а расход жидкого вещества гораздо экономичнее.

Мы решили, что прибор должен быть на радиоуправлении, чтоб не выходить и не подвергать опасности человека. А в последствии, если раздобудем программируемый коптер, то можно вообще написать программу и коптер будет обрабатывать самостоятельно, а по завершению вернется на место дислокации.

У прибора должен быть аккумулятор, от которого будет поступать электроэнергия на генератор ультразвука и пьезомембрана для превращения жидкости в туман.

Моделирование прибора

Мы выполнили модель в виде чертежа.

Конструирование прибора

Теперь мы взялись за его изготовление.

Основа прибора: игрушечный квадрокоптер.

Основа для создания прибора – картонная крышка от коробочки

Генератор ультразвука – плата от увлажнителя воздуха с пьезоэлементом

Резервуар для химикатов – воздушный шарик, верхняя часть пластиковой бутылки.

Регулятор подачи жидкости на пьезомембрану – губка синтетическая,

Источник электроэнергии – портативный аккумулятор.

Для проверки решили подготовить макет парка.

Описание испытаний:

Отдельно в классе прошли испытания квадрокоптера. Затем отдельно был испытан прибор. Прибор показал надежную подачу жидкости на пьезоэлемент, распыление проходило устойчиво без сбоев. Резервуара с жидкостью 20 грам хватило на 30 минут работы и надежного покрытия туманом макета размером с две парты.

Ошибки: квадрокоптер игрушечный мало подходит для этой работы. Он с трудом поднимает прибор.

Все моделирование и конструирование проводилось в классе после уроков. Испытания проходили в классе.

Вывод.

Ультразвук вполне можно использовать для обработки местности, но необходимо брать коптер с увеличенной подъемной силой.

Рекомендации по применению: для использования в больших объемах нужно использовать коптер с увеличенной подъёмной силой.

Перспективы дальнейшей разработки этой темы:

В качестве жидкости можно использовать подкрашенную жидкость, для создания более плотного тумана. Если запустить одновременно несколько коптеров, то возможно создавать туманные завесы (ложные и реальные) для перегруппировки орудий на линии боя.

Обработку местности можно использовать в период эпидемий, когда нужно обработать парки, детские площадки, скамейки.

Если будет зомбиапокалипсис, то можно распылять снотворное (или обездвиживающее вещество) над участками скопления зомби, и пока они в покое безопасно эвакуировать людей из зоны поражения

Список использованной литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BAhttp://www.extim1.narod.ru/popular/ultrasound.htm

2. https://znaew.ru/index.php/entsiklopediya-shkolnika-fizika/8073-zvuk-i-slukh-v-zhivoj-prirode

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%85%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA

5. http://www.extim1.narod.ru

6. https://log-in.ru/articles/ultrazvuk/