XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Параболический свисток
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Использование сигнального свистка удобно, когда важно привлечь внимание всех окружающих людей. Когда мы отдыхали в аквапарке нам стало интересно - можно ли как-то сделать сигнал свистка инструктора более ориентированным в сторону тех отдыхающих, кому он хочет сделать замечание. Звуковые волны распространяются от свистка во всех направлениях как расходятся круги на воде после падения камушка. Цель данного проекта - создать прототип свистка направленного действия. Известно два подхода концентрации волн в определённом направлении: рупорный и параболический.
При рупорном подходе увеличивается громкость звуковой волны в определённом направлении для большой области. Такой подход был распространён на кораблях, вокзалах и т.д. Для цели работы данный метод не подходит, так как он будет только усиливать громкость свистка.
Принцип параболических антенн широко применяется для передачи и приёма сигналов на большие расстояния - спутниковые тарелки для передачи электромагнитных волн, фары автомобиля для направленного пучка световых волн, параболический микрофон для приёма звуковых волн с больших расстояний.
Для достижения цели проекта мне нужно изолировать свисток и направить звук в нужную сторону. Для этого потребуется сделать выбор доступного звукоизоляционного материала и подготовить параболический отражатель звука.
Работа параболической антенны рассмотрена в книге «математическая составляющая» [1]. Для её изготовления мне нужно выбрать параметры для уравнения параболы и сделать набор точек параболы в программе openOffice Calc. Точки параболы нужно загрузить в программу Компас-3D [2,3] для создания чертежей и объёмных деталей. После создания объёмной детали она сохраняется в формате STL для 3D печати [3,4]. Для печати детали на 3D принтере в специальной программе она проверяется и готовится файл-задание 3D печати.
После 3D печати пластиковой детали с ней соединяется свисток и материал для звукоизоляции. В результате получается макет параболического свистка.
Выбор звукоизоляционного материала
Из доступных материалов, подходящих для звукоизоляции, у меня были: изолон, пеноплекс, детский воздушный пластилин. Изоляция беспроводного динамика показала, что при использовании пеноплекса и воздушного пластилина затухания звука близки и звукоизоляция существенно эффективней изолона. Данные для громкости звука были получены с использованием программы в мобильном телефоне и приведены в таблице 1. Преимущество использования воздушного пластилина - пластичность и возможность соединения без использования клея.
Таблица 1. Громкость сигнала для разных материалов (толщина материала примерно 2см)
|
Воздух |
Изолон |
Пеноплекс |
Воздушный пластилин |
|
|
Громкость сигнала |
74дБ |
65дБ |
44дБ |
46дБ |
Рисунок 1 Фото воздушного пластилина
Параболический отражатель
Парабола - это график функции . Будем рассматривать параболу , выходящую из точки (0,0), . На рисунке 2 показан график параболы и точка её фокуса F = (0,p/2).
Рисунок 2 График параболы
В книге [1] описана теория - если в фокус параболы поместить источник света, то лучи, отразившись от параболы пойдут параллельно оси симметрии параболы (следующие рисунки взяты из [1]).
И наоборот, если на параболу падает поток лучей параллельно оси симметрии параболы, то отразившись от параболы лучи придут в точку её фокуса.
Если выбрать значение , то , F=(0,2). Тогда если рассмотреть параболу при x от 0 до 5.5 см, диаметр отражателя будет 11см и высота 4см - такие размеры подходят для печати на имеющемся 3D принтере.
Сделать набор точек параболы можно в программе openOffice Calc. Для этого нужно в первом столбце задать точки вдоль оси x, а для второго столбца ввести формулу параболы.
Рисунок 3 Точки параболы, размер в см
Далее точки параболы нужно загрузить в программу КОМПАС-3D для создания чертежа. 3D принтер печатает с точностью 0.2мм, поэтому для прочности толщина стенок будет 1мм. Нужно скопировать параболу и сместить на 1 мм вниз. Вдоль оси вращения будет канал для звука радиусом 3мм и высотой, равной фокусу параболы. Для прочности в чертёж добавлена поддержка - дополнительный слой для прочности. Чертёж приведён на рисунке 4. Вращение чертежа вокруг вертикальной оси позволяет получить объёмную деталь, которую нужно сохранить в формате STL для 3D печати.
Рисунок 4 Чертёж в программе КОМПАС-3D.
Синие стрелки - направление звуковых волн.
Рисунок 5 Деталь - вращение чертежа в программе КОМПАС-3D.
Синие стрелки - направление звуковых волн.
Для печати детали на 3D принтере в специальной программе она проверяется и готовится файл-задание 3D печати.
Рисунок 6 Подготовка задания для 3D печати
Рисунок 7 Процесс 3D печати детали
Готовая деталь покрыта снаружи воздушным пластилином, который обеспечит звукоизоляцию и позволил зафиксировать свисток. Для более надёжной фиксации свистка использовались куски пеноплекса.
Рисунок 8 Прототип параболического свистка
Испытание прототипа свистка было проведено на улице. На смартфоне измерялся уровень шума с 15 метров в прямом и противоположном направлениях. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2 Результаты испытания параболического свистка.
|
Шум улицы |
Обратное направление |
Прямое направление |
|
|
Громкость |
42-46 дБ |
52-54 дБ |
64-70 дБ |
Чертёж, деталь и фото материалы находятся по ссылке
https://disk.yandex.ru/d/UEu1A_twHA8mIQ.
Заключение
Во время работы над проектом по созданию параболического свистка мне нужно было познакомиться с темой отражения и распространения волн, свойствами параболического отражателя и функции параболы, выбрать материалы, создать чертёж и деталь в КОМПАС-3D, напечатать деталь на 3D-принтере. В результате цель проекта была достигнута. Для увеличения эффективности работы прототипа возможна дополнительная звукоизоляция или применение другого эффективного звукоизоляционного материала.
Литература
1. Математическая составляющая / Редакторы-составители Н. Н. Андреев, С. П. Коновалов, Н. М. Панюнин ; Художник-оформитель Р. А. Кокшаров. — 2-е изд., расш. и доп. — М. : Фонд «Математические этюды», 2019. — 367 с. : ил. — ISBN 978-5-906825-02-5. — Тираж 17 000 экз.
Свободно распространяемая издательством PDF–версия. https://book.etudes.ru/.data/pdf/EtudesRu-MS-Book.pdf, Читать полностью: Математическая составляющая
2. Программа КОМПАС-3D - учебная версия, https://kompas.ru/solutions/education/
3. КОМПАС-3D для школьников. Черчение и компьютерная графика. И.В.Баранова, ДМК, Москва, 2009г.
4. КОМПАС-3D Создание моделей и 3D печать. В.Никонов, СПб.: Питер, 2020г.
5. Рисунки из интернет: https://creatorblaga.ru/wp-content/uploads/2019/07/1.jpg, https://megabook.ru/stream/mediapreview?Key=Рупорная%20антенна%20(разновидности)&Width=654&Height=654