Визуализация звуковых колебаний

Важность исследования данной темы связана с тем, что сейчас в городе Красноярске активно развивается досуговая деятельность: в летнее время повсеместно появляются открытые площадки, на которых проводятся концерты, выступления артистов и разворачиваются целые спектакли. Можно ли смоделировать распространение звука на открытых концертных площадках и, спрогнозировав его, правильно установить колонки и трибуны, чтобы все зрители услышали качественное звучание? Можно ли применить данную технологию для разделения наночастиц?

• Постановка и формулировка проблемы: звуковые колебания и волны изучаются в физике основной школы поверхностно, но это явление, как и всё, связанное с органами чувств человека, вызывает стойкий интерес: мы можем слышать колебания от 20 Гц до 20 кГц, но колебания мембраны частотой более 30 Гц не видны глазу. Можно ли визуализировать звуковые колебания? Как будет зависеть «картинка» на пластине от частоты звука? Можно ли будет использовать установку для моделирования расстановки звукового оборудования на концертных площадках в черте города, чтобы предотвратить возникновение стоячих волн?

• Разработанность исследуемой проблемы. В литературе по акустике подробно описана теория и причины появления стоячих волн. В специальной литературе описано их использование, например, в струнных музыкальных инструментах. Что касается визуализации звуковых колебаний, то наиболее известны опыты Флореса Фридриха Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые "акустические фигуры", получившие названия фигур Хладни и возникающие, если посыпать колеблющуюся пластинку мелкодисперсным порошком. В последнее время в сети Интернет появилось несколько видеофайлов с опытами по визуализации звука на поверхности пластин, посыпанных сахаром. Эти опыты заинтересовали автора данной работы и послужили стимулом для теоретического изучения звуковых волн и создания собственной опытной установки для получения звуковых «картин».

Флореса Фридриха Хладни считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона. Фактическое объяснение эха также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Но особенно известны фигуры Хладни, получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку мелкодисперсным порошком. Если в среде распространяется несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Волны накладываются друг на друга, не возмущая (не искажая друг друга). Это и есть принцип суперпозиции волн. Если две волны, приходящие в какую-либо точку пространства, обладают постоянной разностью фаз, такие волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции. Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград

• Цель: создание установки, с помощью которой возможно «увидеть» звуковые колебания и смоделировать их распространение.

• Основные задачи: проанализировать литературу по данной теме, самостоятельно изучить стоячие волны и с помощью установки исследовать зависимость вида изображения от формы пластин, положения опор и частоты вибрации. Продумать практическое применение явления.

• Методы и методики решения основных задач: теоретические методы: изучение и анализ научной и научно-популярной литературы по колебаниям и волнам; экспериментальные методы исследования: опытно-конструкторская работа по созданию установки для получения изображения стоячих волн и их изучению; метод наблюдений за явлением; математические методы анализа результатов исследования.

• Результаты. Изучение литературы по теме было начато в начале октября. Рассмотрен материал по теме «Колебания. Звуковые волны. Стоячие волны и их возникновение». Было выяснено: если на лист упругого плоского материала подавать колебания (смычком, генератором, излучателем )) на нем возникают стоячие волны (аналог колебаний струны). У стоячих волн есть узлы (точки, которые не колеблются) и пучности (точки, в которых колебания максимальны по амплитуде). Если лист посыпать мелкодисперсным порошком, тот будет перемещаться из пучностей в узлы и в результате весь соберется в узлах, а в пучностях его не останется. Так возникают причудливые картины .

Общий рисунок зависит от формы пластины, положения опор, частоты вибрации и место возбуждения пластины. Автором создана установка для получения звуковых волн и их наблюдения . Проделана серия опытов по исследованию зависимости изображения, которое дает сыпучий материал от различных параметров, в частности от частоты колебаний . Результатом является углубление знаний по физике, более полное понимание природы возникновения стоячих волн и способов их предотвращения. Собрано наглядное пособие для визуализации звуковых колебаний и изучения стоячих волн.

Когда речь заходит об акустике, вспоминаются греки с их амфитеатрами. Нелегко представить себе сотни, иногда тысячи (а в случае римских амфитеатров, ведущих свое начало от греческих, и десятки тысяч) людей, сидящих вместе и смотрящих представления, которые проводились без помощи электроники или громкоговорителей, не говоря уже об экранах с крупными планами и субтитрами. Эти ранние «неэлектрифицированные» греки использовали силу ума и акустически хорошие конструкции для естественного усиления звука. Можно назвать это акустическим мастерством. Сейчас, когда нужно, чтобы тебя услышало много народу, мы предпочитаем акустическую грубую силу (бесконечной мощности усилители, откровенное использование эквалайзеров и множество колонок). Мы хотим слышать каждую реплику (никаких "что он сказал?" посреди напряженной драматичной сцены) и полностью воспринимать задумку сценариста/режиссера/продюсера - другими словами, нам нужна хорошая акустика. Посредством собранной установки, будет проводиться более глубокое исследование стоячих волн, изучение способов их появления и моделирование расстановки звукового оборудования на концертных площадках в черте города для предотвращения их возникновения.

Некоторые из других, полученных нами фигур Хладни:

Перспективы: Хладни обнаружил, что песчинки под действием вибрации могут формировать симметричные фигуры (фигуры Хладни), показывающие распределение стоячих волн. Спустя 200 лет были обнаружены микроскопические фигуры Хладни, открывающие новые возможности сортировки частиц по размерам. Точное размещение наночастиц на поверхности является ключевой проблемой большинства нанотехнологичных приложений, в особенности, молекулярной электроники. Кроме того, для многих применений большое значение имеет сортировка частиц по размерам. Швейцарские исследователи показали, что использование стоячей звуковой волны позволяет сортировать частицы в зависимости от их размеров. Наночастицы агрегируются в пучностях, а микронные частицы в узлах звуковой волны. Демонстрация микроразмерных фигур Хладни открывает новые возможности для сортировки и манипуляции частицами, клетками и органеллами в зависимости от их размеров. Таким образом может осуществляться многошаговая сборка сложных биотехнологических сенсоров или наноэлектрических цепей.

3. Заключение: В ходе исследовательской работы:

1. Автором изучена и проанализирована литература по данной теме.

2. Собрана установка для получения и изучения стоячих волн.

3. Достигнуто понимание природы стоячих волн, их возможностей и возникло желание их дальнейшего исследования.

4. Начато изучение зависимости вида изображения материала от формы пластин, положения опор, частоты вибрации и точки возбуждения пластины.

5. Придумано применение собранной установки для решения реальных задач: для моделирования расстановки звукового оборудования на концертных площадках в черте города, чтобы предотвратить возникновение стоячих волн; возможность использования установки для сортировки мелких частиц и манипуляции частицами микроскопического размера.

6. Подобрана программа для математического моделирования процесса возникновения стоячих волн и появилось желание и возможность на следующем этапе сравнить экспериментальные результаты визуализации и смоделированные на компьютере.