IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Прибор для поглощения звуковых волн и преобразования их механической энергии в электрическую энергию. Использование прибора в целях освещения автомагистралей
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время существует несколько источников электрической энергии: атомные электростанции, работающие на ядерном топливе, тепловые электростанции работающие на угле или газе, гидроэлектростанции. В ближайшие 50 — 60 лет запасы природного газа, угля, нефти будут исчерпаны практически полностью и возникнет энергетический кризис, поэтому уже сейчас в большинстве стран мира ведутся разработки энергосберегающих технологий, поиск альтернативных и недорогих источников энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение гелиоэнергии. Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечивает нас теплом и светом. Оно посылает огромное количество ккал на Землю. Так как абсолютно чистой атмосферы нет, половина солнечной энергии рассеивается и всего лишь 50% доходит до поверхности Земли. И даже это количество грандиозно превышает все другие виды энергии. Кроме того, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
Цель работы: исследовать способ получения электрического тока из звуковых волн.
Задачи:
изучить литературу об источниках звука и альтернативных источниках энергии
изготовить альтернативный источник электроэнергии
создать устройство для преобразования энергии
применить данный прибор на практике.
Объект исследования: процесс преобразования звуковых волн в электрический ток. Предмет исследования: источник звуковых волн и преобразователь звуковых волн в электрический ток
Актуальность: на мой взгляд, данный проект является актуальным, потому что в наше время на производство и передачу электроэнергии требуются большие затраты. Данный прибор станет источником питания для многих электропотребляемых объектов.
Методы исследования: непосредственно перед началом работы были изучены теоретические основы звуковых явлений и электродинамики, разработана предположительная модель прибора.
Практическая значимость исследования: прибор будет использоваться в различных сферах, которые требуют потребления некоторого количества электричества.
Гипотеза: создав этот прибор, затраты на электроэнергию уменьшаться. Содержание проекта:
Теоретические знания о звуке.
Методы предположительной работы прибора. (Исследование. Изготовление прибора)
Сферы использования.
Некоторые расчеты для наблюдения.
Раздел 1.
Теоретические знания о звуке
2.1.Звуковая волна
Звук - это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения. Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что дляраспространениязвуканеобходимасреда.
Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов. Звуковая волна распространяется через дерево
Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательныедвижения, как возникает звуковая волна.
Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми. Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.
2.2.Скорость звука
Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).
Именно поэтому во время грозы мы, сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук. Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше, чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением - убывает.
Высота, тембр и громкость звука
Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие. Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов. Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.
2.4. Звуковые явления
Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.
Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.
Применение звуковых волн
Эхолокация - Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы - приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.
Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.
Я предлагаю абсолютно новый способ применения звуковых волн, использование в качестве альтернативного источника электроэнергии.
Раздел 2
Практическая часть
Изучив теоретическую часть данного вопроса, пришла к выводу, что работа этого прибора может быть основана на двух различных способах:
1. Работа за счет реакции в молекулах воздуха
2. Работа из-за колебательных движений в мембране микрофона.
Рассмотрим первый способ-работа за счет реакции в молекулах воздуха.
Принцип работы прибора основанного на этом методе, заключается в том, что при воздействии звуковой волны на мембрану покрытую титанитом бария (сегнетова соль), происходит ее колебание, тем самым создавая необходимую механическую энергию для химического элемента, вокруг которого в последствии возникает электрическое поле, накапливается в конденсаторе, и переходит непосредственно к потребителю.
Физические свойства титанита бария (BaTiO3)
Титанат бария представляет собой бесцветные кристаллы. Нерастворим в воде. При понижении температуры в кристаллах титаната бария происходит ряд последовательных сегнетоэлектрических фазовых переходов: при 120 °C они переходят из кубической (параэлектрической) фазы с пространственной группой Pm3m в тетрагональную полярную (сегнетоэлектрическую) фазу с пространственной группой P4mm, затем при 5 °C следует переход в орторомбическую полярную фазу с пространственной группой Amm2 и, наконец, при −90 °C — в ромбоэдрическую полярную фазу с пространственной группой R3m. Все три перехода — переходы первого рода, так что при изменении температуры диэлектрическая проницаемость меняется скачками.
Титанат бария характеризуется высокими значениями диэлектрической проницаемости (до 104; 1400±250 при н.у.); на его основе разработано несколько типов сегнетоэлектрической керамики, используемых для создания конденсаторов, пьезоэлектрических датчиков, позисторов.
Кроме кубической модификации со структурой перовскита, известна гексагональная модификация титаната бария (пр. гр. P63/mmc), устойчивая при температуре выше 1430 °C.
Работа колебательных движений в мембране микрофона
Работа, основанная на этом принципе, заключается в том, что при поглощении звуковых волн, мембрана микрофона приходит в движение, тем самым образую электрический ток, после чего накапливается в конденсаторе, и поглощается приемником.
Микрофоны широко применяются в радиовещании, телевидении, системах усиления звука и звукозаписи, для телефонной связи.
Действие одного из самых распространенных микрофонов — электродинамического — основано на явлении электромагнитной индукции. Этот микрофон устроен следующим образом. Диафрагма 2 из тонкой полистирольной пленки или алюминиевой фольги жестко связана со звуковой катушкой / из тонкой проволоки. Катушка помещается в кольцевом зазоре сильного постоянного магнита 3. Линии магнитной индукции перпендикулярны к виткам катушки (приложение 1).
Звуковая волна вызывает колебания диафрагмы и связанной с ней катушки. При движении витков катушки в магнитном поле в них возникает переменная ЭДС индукции. В результате на зажимах катушки появляется переменное напряжение, вызывающее колебания электрического тока в цепи микрофона. Эти колебания после усиления и накопления могут быть поданы в приемник.
Практическая значимость работы
Практическая значимость работы заключается в следующем, при помощи исследованного процесса можно использовать звуковые волны в качестве источника энергии. Как для промышленного производства, так и для частного пользования. Этот прибор может использоваться на автомагистралях, с целью освещения в ночное время суток, в оперных театрах, на заводах, спортивных стадионах, и везде где присутствует звук. Таким образом, можно заряжать батареи для их дальнейшего использования.
Расчет экономической выгоды прибора
Так как, в данном проекте мы рассматриваем использования данного прибора с целью освещения на автомагистралях в ночное время суток.
Нам необходимы некоторые данные:
1км.=1000м.
1000м.:50м=20шт.*2=40шт. столбов на 1км.
1ст. потребляет примерно 3кВт.энергии за 12ч работы(1ночь)
(1КВт.=3.74р.)=11.22р.
448.8р.=1км. за 12ч.(1ночь)
13.464р.=1км. за 30 ночей
(Приложение 1. Параметры осветительных установок улиц и дорог)
Для перевода звуковых колебаний в электрический ток можно использовать микрофон.
Устройство микрофона (приложение 2).
Механическая колебательная система (мембрана)
Катушка электрического провода
Постоянный магнит
Корпус
Клеммы проводов катушки
Микрофо́н (от греч) — электроакустический прибор, преобразующий звуковые колебания в колебания электрического тока.
Мембрана (МКС) улавливает звук и совершает аналогичные ему колебания, эти колебания передаются катушке, которая жестко прикреплена к мембране. Катушка находится под действием постоянного магнита, то есть, окружена магнитным полем. При движениях мембраны в движение приходит катушка электрического провода в поле магнита, возникает «электро-динамическая сила», т. е. происходит преобразование механических колебаний в электрические. Именно эти колебания являются переменным током, который аналогичен звуковым колебаниям. Его амплитуда-напряжение очень слабое, поэтому его необходимо усилить.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя определяет характер изменения коэффициента усиления или выходного сигнала усилителя при изменении частоты сигнала. Для этого на вход аппарата подается сигнал шума (весь слышимый диапазон частот с одинаковой громкостью), и снимается на выходе, фиксируется в виде рисунка изменений громкости частот (приложение 4)
АЧХ представляет собой график зависимости выходного напряжения (или коэффициента усиления), величина которого откладывается по оси ординат, от частоты, откладываемой по оси абсцисс (Приложение 5). Для частоты используется логарифмический (нелинейный) масштаб. Это приводит к эффективному расширению низкочастотного и сжатию высокочастотного участков на оси частот.
Коэффициент усиления и выходной сигнал усилителя постоянны в диапазоне средних частот, но спадают при высоких и низких частотах. Область частот, заключенная между частотами f1 и f2, называется полосой пропускания усилителя. Частоты f1 и f2 соответствуют точкам a1 и a2, и известным как точки по уровню 3 дБ (децибел). Децибел — нелинейная (логарифмическая) единица измерения коэффициента усиления (см. приложение 2). Точка a1 называется нижней точкой по уровню 3 дБ, а точка a2 — верхней точкой по уровню 3 дБ. В этих двух точках выходное напряжение усилителя составляет 70% от своего максимального значения. Точки по уровню 3 дБ называют также точками по уровню половинной мощности, поскольку выходная мощность усилителя на этих частотах уменьшается ровно в два раза.
Чтобы обеспечить усиление сигналов всех звуковых частот, УЗЧ должен иметь полосу пропускания, перекрывающую диапазон звуковых частот, т. е. от 20 Гц до 20 кГц. Внутри этого диапазона частот коэффициент усиления УЗЧ должен сохранять постоянное значение. Ниже 20 Гц и выше 20 кГц допустим спад усиления.
Поскольку музыка и речь представляют собой сложную смесь гармонических сигналов с различными частотами звукового диапазона, то качество усилителя зависит от того, какую полосу этих частот и их гармоник данный усилитель может воспроизвести без искажений. Узкая полоса пропускания будет обязательно приводить к ограничению числа усиливаемых и воспроизводимых на выходе усилителя гармоник. Этим объясняется низкое качество звука у дешевых усилителей.
Существуют два основных типа искажений: амплитудные и частотные.
Амплитудные искажения
Для каждого усилителя существует некоторый максимальный уровень выходного сигнала, который не может быть превышен. Попытка превышения этого уровня приводит к амплитудным искажениям. Амплитудные искажения проявляются в сглаживании или обрезании только одного (положительного или отрицательного) или обоих пиков сигнала.
Частотные искажения
Усилители должны воспроизводить на своем выходе входной сигнал без каких-либо изменений его формы, не считая увеличения амплитуды. Обычно входной сигнал имеет сложную форму и состоит из большого числа синусоидальных сигналов различных частот и их гармоник. Для верного воспроизведения все эти составляющие должны усиливаться в одинаковой степени, то есть коэффициент усиления должен быть одинаковым для всех частот. Другими словами, АЧХ усилителя должна быть достаточно плоской во всей полосе пропускания, в противном случае выходной сигнал будет подвержен частотным искажениям.
Наш усилитель с АЧХ, будет в гораздо большей степени усиливать высокие частоты по сравнению с низкими. В результате в выходном сигнале будут чрезмерно представлены высокочастотные составляющие
Микрофон Ritmix RWM-100 black- 500руб.
Описание Ritmix RWM-100 black
Тип устройства - микрофон
Тип микрофона - динамический
Чувствительность - 72 дБ
Частотный диапазон - 100-10000 Гц
Сопротивление - 600 Ом
Направленность - однонаправленный
Разъём - 6,3 мм
Питание - микрофон - DC 9 В
ресивер - DC 3 В или 1,5 В
Длина кабеля - 3 м
Радиус действия - до 15 м
Вывод: Расстояние между столбами 50 м, если поставить микрофон Ritmix RWM-100 то он не будет улавливать весь шум на проезжей части. Поэтому необходимо искать другой микрофон.
Микрофон Invotone конденсаторный инструментальный CM610PRO- цена:2390 руб.
Тип: Конденсаторный
Диаграмма направленности: Кардиоидный
Частотный диапазон: 3018000 Гц
Чувствительность: -38 дБ (0дБ=1В/Па 1кГц)
Импеданс: 100 Ом (1кГц)
Максимальный уровень звукового давления: 135 дБ (1% T.H.D 1кГц)
Сигнал/шум: 70 дБ
Радиус действия - до 20 м
Питание: Фантомное 952 В
Invotone CM 610 PRO - конденсаторный микрофон от популярного производителя для духовых, фортепиано и других оркестровых инструментов, обладающий кардиоидной диаграммой направленности. CM 610 PRO точно и ясно передает звук, сохраняя высокое качество передачи без разного рода искажений и при работе на высоких частотах. Микрофон обладает надежной конструкцией и прочным корпусом и идеально подходит для живых выступлений, концертной деятельности. В комплект также входят: виброизолирующий подвес, ветрозащита.
На 1 км- 40 штук. Цена 1 микрофона- 2390 руб.
Стоимость: 40х2390=95600 руб.
Тариф: 3,74 руб.
1 кВт ч – 3,74 руб.
Х кВт ч- 95600 руб.
95600: 3.74=25561, 45 кВт ч
Так как чувствительность нашего микрофона 38 дБ, то на выходе напряжение 12 мВ (данные взяты из таблицы, можно рассчитать и по формуле).
А= Р*tt=А/Р t=25561, 45* 10 3 Вт ч/12*10-3=2131*106 ч
Вывод: Микрофон использовать экономически не выгодно.
4.2 Исследование процесса преобразования звуковых волн в электрический ток
В качестве источника звуковых волн использовался звуковой генератор и акустическая колонка 2.0 TDS-501 [2; 4]. В качестве преобразователя, электродинамический громкоговоритель ГОСТа 9010-7903-79 1гд-40фе-100 с сопротивлением в 8Ом.
Опыт № 1. «Определение эффективного интервала частот акустической колонки»
Гипотеза: Акустическая колонка лучше воспроизводит спектр звуковых колебаний, чем отдельный динамик.
Методика проведения эксперимента:
Собрать схему установки (звуковой генератор, акустическая колонка 2.0 TDS-501. Динамики – преобразователи звука: ГОСТа 9010-7903-79 1гд-40фе-100 и 0.5гд-52 ГОСТа 900-78. с сопротивлением в 8Ом).
Воспроизводимая мощность акустической колонки (RMS) – 2x15 Вт, Диапазон воспроизводимых частот – 40–20000 Гц
В акустическую колонку подавалось 10 В переменного напряжения от ЗГ-10.
Расстояние от источника до генератора 10 см.
В первой части эксперимента был использован диапазон частот 500–3000 Гц с шагом 500 Гц, а во второй части – 50–500 с шагом 50 ( приложение 5,6).
Вывод 1: На первом графике мы видим, что самая эффективная частота от 50 до 500 Гц (приложение 5). Поэтому мы решили сделать вторую часть эксперимента.
Вывод 2: Во второй части сужается диапазон эффективности, на втором графике он показан в районе от 250 Гц до 300 Гц (приложение 6).
Примечание: В последующих опытах я буду использовать частоту от 250 Гц до 300 Гц, так как она самая эффективная.
Опыт № 2. «Зависимость I от S падения звуковых волн»
Гипотеза: Если увеличить площадь, на которую падают звуковые волны, то должна увеличиться сила тока.
Методика проведения эксперимента:
Собрать схему установки (звуковой генератор, акустическая колонка 2.0 TDS-501. Динамики – преобразователи звука: ГОСТа 9010-7903-79 1гд-40фе-100 и 0.5гд-52 ГОСТа 900-78. с сопротивлением в 8Ом)
В колонку (источник звука) подавалось 10 В переменного напряжения.
Частота подавалась в 250 Гц.
Расстояние в 10 см
Вывод 1: Сила тока в электродинамических громкоговорителях зависит от площади падения звуковых волн прямо пропорционально (приложение 7).
Опыт № 3. «Зависимость I от r »
Гипотеза: Сила тока преобразователя уменьшается при увеличении расстояния до источника звука.
Методика проведения эксперимента:
Собрать схему установки (звуковой генератор, акустическая колонка 2.0 TDS-501. Динамики – преобразователи звука: ГОСТа 9010-7903-79 1гд-40фе-100 и 0.5 гд-52 ГОСТа 900-78. с сопротивлением в 8Ом)
В колонку (источник звука) подавалось 10 В переменного напряжения.
Частота подавалась в 250 Гц.
Расстояние от 5 см до 50 см с шагом в 5 см.
Вывод 1: Сила тока зависит обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звуковых волн (приложение 8).
4. Заключение
В процессе подготовки к исследованию, изучила литературу и узнала устройства микрофона, состав акустической колонки промышленного производства. А также области их применения. Использовать микрофон для перевода звуковых колебаний в электрический ток не выгодно, Соединив последовательно 80 штук э/динамических микрофонов, каждый из которых в зависимости от уровня звука выдает 1...20мВ.
А поскольку на выходе "батареи" будет переменный ток, то этого как раз хватит чтобы зажечь 2 встречно-параллельных светодиодов на 1 км. В ходе работы с электродинамическим громкоговорителем, всесторонне изучила качественные и количественные характеристики акустической колонки.
Практическая значимость работы заключается в следующем, при помощи исследованного процесса можно использовать звуковые волны в качестве источника энергии. Как для промышленного производства, так и для частного пользования. В частности, в качестве звукоизолирующего устройства, при строительстве домов, заводов, трасс, железных дорог или при работе машин, а также разговорах между людьми и не только. Таким образом, можно заряжать батареи для их дальнейшего использования.
Список литературы:
Микрофон [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%...
Характеристики акустической колонки [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://xn--80adfewzhvb.xn--p1ai/catalog1/speakers_20/tds500/
Шумомер [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D1%83%D0%BC%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%80
Электродинамический громкоговоритель [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Электродинамический_громкоговоритель
Энциклопедический словарь юного физика/Сост. В.А. Чуянов – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Педагогик, 1991 – 336 с.: ил.
Энциклопедический справочник школьника. Том I, Естественные науки. – М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2003. – 923 с.
Я познаю мир: Дет. энцикл.: Физика / Сост. А.А. Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Фирма «Издательство АСТ»». 1999. – 480 с.
Приложение
Приложение 1. Устройство микрофона
Приложение 2. Параметры осветительных установок улиц и дорог
Приложение 3. Устройство микрофона
Приложение 3. Метод замера АЧХ усилитиля
Приложение 4. График зависимости выходного напряжения (или коэффициента усиления) от частоты
Приложение 5.Зависимость силы тока от частоты
Приложение 6. Зависимость силы тока от частоты
Приложение 7.Зависимость силы тока от площади падения звуковых волн
Приложение 8. Зависимость силы тока от расстояния до источника звука