Dane INFORMACYJNE Nazwa Szkoły Zespół Szkół w Mosinie ID grupy 98/67_MF_G2 kompetencja Matematyczno-fizyczna Temat projektowy W świecie dźwięków i ciszy Semestr Rok szkolny II semestr 2010/2011

W świecie dźwięków i ciszy Gdyby ludzie rozmawiali tylko o tym, co rozumieją, zapadłaby nad światem wielka cisza. Albert Einstein

Spis treści WSTĘP PLANOWANIE EKSPERYMENTU ŹRÓDŁA DŹWIĘKÓW CZYM JEST DŹWIĘK? O CO CHODZI Z TĄ FALĄ? PODZIAŁ FAL FALA HARMONICZNA WIELKOŚCI OPISUJĄCE FALĘ WRÓĆMY DO DŹWIĘKU WIELKOŚCI OPISUJĄCE DŹWIĘK CZĘSTOTLIWOŚĆ I WYSOKOŚĆ DŹWIĘKU NATĘŻENIE I GŁOŚNOŚĆ DŹWIĘKU WIDMO I BARWA DŹWIĘKU ROZCHODZENIE SIĘ DŹWIĘKU ZAŁAMANIE FALI DŹWIĘKOWEJ INTERFERENCJA FAL DŹWIĘKOWYCH REZONANS EFEKT DOPPLERA JAK SŁYSZYMY? CZY MOŻNA ZOBACZYĆ DŹWIĘK? PLANOWANIE EKSPERYMENTU PRZEPROWADZENIE EKSPERYMENTU WYNIKI EKSPERYMENTU OPRACOWANIE WYNIKÓW ZAWODY NAJLEPSZY I NAJGORSZY WYNIK PODSUMOWANIE I WNIOSKI ŹRÓDŁA AUTORZY

wstęp Dlaczego wybraliśmy temat „W świecie dźwięków i ciszy”? Czego chcemy się dowiedzieć? dźwięk towarzyszy nam na co dzień! słuch to obok wzroku najlepiej wykształcony zmysł człowieka! jak to się dzieje, że słyszymy? co jest źródłem dźwięku? czym jest dźwięk? jakie wielkości opisują dźwięk? jakie zjawiska obserwujemy podczas rozchodzenia się dźwięku? SPIS TREŚCI

Źródła dźwięków pobudzona do drgań struna gitary pobudzone do drgań struny głosowe SPIS TREŚCI pobudzone do drgań talerze i bębny perkusji

ŹRÓDŁEM DŹWIĘKÓW SĄ DRGAJĄCE CIAŁA!!! Źródła dźwięków pobudzona do drgań membrana głośnika Pobudzone do drgań widełki kamertonu ŹRÓDŁEM DŹWIĘKÓW SĄ DRGAJĄCE CIAŁA!!! SPIS TREŚCI --- Uderz w stół, a nożyce się odezwą ---

Czym jest dźwięk? DŹWIĘK TO ROZCHODZĄCA SIĘ W OŚRODKU SPRĘŻYSTYM FALA MECHANICZNA!!! Fala to rozchodzące się w ośrodku zaburzenie, zmiany jakiejś wielkości… Tym co zmienia się (zaburza) w przypadku dźwięku jest gęstość i ciśnienie ośrodka. SPIS TREŚCI

O co chodzi z tą falą? ROZCHODZĄCE SIĘ ZABURZENIE = PRZEKAZYWANIE DRGAŃ Meksykańska fala ze stadionów: Fala w ośrodku: SPIS TREŚCI

DŹWIĘK JEST FALĄ PODŁUŻNĄ PODZIAŁ FAL Fale podłużne - kierunek drgań cząsteczek ośrodka jest taki sam jak kierunek rozchodzenia się fali Fale poprzeczne - kierunek drgań cząsteczek ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali SPIS TREŚCI DŹWIĘK JEST FALĄ PODŁUŻNĄ

Fala harmoniczna Najprostszym rodzajem fali jest fala harmoniczna, zwana też falą sinusoidalną, rozchodząca się w ośrodku jednowymiarowym (np. lince). Każdy punkt ośrodka wykonuje drgania harmoniczne (sinusoidalne) SPIS TREŚCI

Wielkości opisujące falę Dla fali harmonicznej można dobrze określić dwa ważne parametry: długość fali  λ  - odległość pomiędzy cząsteczkami które drgają tak samo okres fali T - czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym SPIS TREŚCI

Wielkości opisujące falę Częstotliwość drgań f – jest równa jest ilości drgań, jakie wykonują punkty ośrodka w ciągu jednostki czasu (najczęściej 1s). Częstotliwość jest odwrotnością okresu, jednostką częstotliwości jest 1 Hz: Prędkość fali v: SPIS TREŚCI

Prędkość dźwięku [m/s] Wróćmy do dźwięku W jakim ośrodku dźwięk w ogóle nie może się rozchodzić? W próżni i w ośrodkach idealnie sztywnych - bo tam drgania są niemożliwe, lub w ogóle nie ma cząsteczek, które mogłyby drgać! Prędkość dźwięku zależy od ośrodka w którym się rozchodzi: Ośrodek Prędkość dźwięku [m/s] stal 5100 beton 3800 woda 1490 powietrze 343 SPIS TREŚCI

WYKORZYSTYWANE W MEDYCYNIE!!! Wróćmy do dźwięku Zakres częstotliwości słyszanych przez człowieka: 20 Hz – 20 000 Hz ULTRADŹWIĘKI powyżej 20 000 Hz Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, delfin, wieloryb, czy nietoperz. WYKORZYSTYWANE W MEDYCYNIE!!! INFRADŹWIĘKI poniżej 20 Hz Słonie i wieloryby, które słyszą infradźwięki wykorzystują je do komunikacji na duże odległości. SPIS TREŚCI

Wielkości opisujące dźwięk Związek pomiędzy obiektywnymi (fizycznymi wielkościami) i subiektywnymi cechami dźwięku: OBIEKTYWNE SUBIEKTYWNE CZĘSTOTLIWOŚĆ NATĘŻENIE DŹWIĘKU WIDMO DŹWIĘKU WYSOKOŚĆ DŹWIĘKU GŁOŚNOŚĆ DŹWIĘKU BARWA DŹWIĘKU SPIS TREŚCI

Częstotliwość i wysokość dźwięku Często mówi się o częstotliwości dźwięku jakby było oczywiste, że jest ona jasno określona. W rzeczywistości tylko jeden typ dźwięku ma dobrze określoną (dokładnie "pojedynczą") częstotliwość. Dźwięk ten nazywa się tonem. Najpopularniejszym tonem, do którego stroi się wszystkie instrumenty jest dźwięk „a” o częstotliwości 440 Hz. Kliknij i posłuchaj Ton Częstotliwość Hz posłuchaj a 440 c 262 SPIS TREŚCI Większość zwykłych dźwięków jest mieszaniną wielu tonów. Potrafimy je wyodrębniać!!!

Natężenie i głośność dźwięku Natężenie fali dźwiękowej I - energia fali dźwiękowej dzielona przez czas i powierzchnię, przez którą ta energia przenika: W praktyce stosuje się poziom natężenia dźwięku L – logarytmiczna miara natężenia dźwięku w stosunku do pewnej umownie przyjętej wartości odniesienia, wyrażana w decybelach (dB). Wielkość ta wyznaczana jest ze wzoru: SPIS TREŚCI

Natężenie i głośność dźwięku ZE WZGLĘDU NA DUŻE LICZBY NIE UŻYWA SIĘ SKALI W PASKALACH TYLKO DECYBELACH!!! SPIS TREŚCI

Natężenie i głośność dźwięku Głośność to cecha subiektywna wyrażona w fonach! 20 - 30 fonów: cichy szelest liści, szum lodówki 50 fonów - cicha mowa 70 fonów - uczniowie szkoły podstawowej w czasie przerwie międzylekcyjnej 90 fonów - ruch uliczny w godzinach szczytu tuż przy ruchliwej trasie 100 -110 fonów - głośna dyskoteka, fortissimo orkiestry 120 fonów - granica bólu. SPIS TREŚCI

Widmo dźwięku – zależność amplitudy od częstotliwości Widmo i barwa dźwięku Barwa dźwięku to subiektywnie określana cecha dźwięku zależna głównie od widma jego częstotliwości, tzn. od tego, z jakich dźwięków prostych składa się analizowany dźwięk. Pozwala nam rozróżniać dźwięki pochodzące z różnych źródeł, np. z różnych instrumentów muzycznych lub różne głosy ludzkie. Dźwięki zawierające mało tonów harmonicznych określamy jako głuche, płaskie, bezbarwne. Dźwięki zawierające dużo wysokich tonów harmonicznych oceniamy jako przenikliwe, ostre, metaliczne. Oprócz widma, na barwę dźwięku wpływa również jego dynamika, tj. szybkość narastania i zanikania. SPIS TREŚCI Widmo dźwięku – zależność amplitudy od częstotliwości

Widmo i barwa dźwięku Widmo tonu Widmo ciągłe SPIS TREŚCI

rozchodzenie się dźwięku Dźwięk, podczas rozchodzenia się, ulega takim samym zjawiskom jak każda inna fala, np.: odbicie załamanie interferencja SPIS TREŚCI

Załamanie fali dźwiękowej zachodzi podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego, zmienia się wtedy prędkość fali. SPIS TREŚCI

Interferencja fal dźwiękowYCH czyli nakładanie się fal SPIS TREŚCI

Interferencja fal dźwiękowYCH Zjawisko dudnień powstaje wtedy, gdy jednocześnie słuchamy dźwięków nieznacznie różniących się częstotliwościami. Kliknij i posłuchaj dla 2 tonów: 440Hz i 445 Hz SPIS TREŚCI

Rezonans kliknij w poniższy prostokąt, żeby zobaczyć film SPIS TREŚCI Film umieściliśmy w internecie

Efekt dopplera Bardzo ciekawe zjawisko związane z rozchodzeniem się fal dźwiękowych nosi nazwę efektu Dopplera! Polega ono na pozornej zmianie częstotliwości dźwięku spowodowanej ruchem źródła dźwięku, albo odbiornika względem siebie. Dźwięk wydawany przez motocykl wydaje się coraz wyższy wraz z przybliżaniem się pojazdu do obserwatora i coraz niższy wraz z oddalaniem. Wiąże się to z ruchem źródła dźwięku względem obserwatora, co powoduje pozorną zmianę częstotliwości fal. SPIS TREŚCI

Jak słyszymy? Droga fali dźwiękowej: dźwięk jest zbierany przez małżowinę uszną, dźwięk wchodzi do kanału usznego, powietrze uderza w błonę bębenkową, kosteczki słuchowe przenoszą drgania do ślimaka, ze ślimaka przez nerw słuchowy informacja trafia do mózgu. SPIS TREŚCI

Jak słyszymy? Zapraszamy do obejrzenia krótkiego filmu w języku angielskim o tym jak słyszymy. Na rysunku obok mamy przetłumaczone podstawowe pojęcia z budowy narządu słuchu. mini słowniczek soundwave - fala dźwiękowa  outer ear - ucho zewnętrzne  ear cannal - kanał słuchowy  eardrum (tympanic membrane) - błona bębenenkowa  to vibrate - wibrować  middle ear - ucho środkowe  pressure - ciśnienie  inner ear - ucho wewnętrzne  malleus - młoteczek  incus - kowadełko  stapes -strzemiączko  cochlea - ślimak  brain - mózg  acoustics - akustyka Link SPIS TREŚCI

Jak słyszymy? CIEKAWOSTKA Ucho uchu nierówne to co dla jednych jest słyszalne, dla innych będzie ciszą. SPIS TREŚCI

Czy można zobaczyć dźwięk? Odpowiedź, choć zaskakująca, brzmi: TAK – MOŻEMY ZOBACZYĆ DŹWIĘK!!! Tuba Rubensa - długa rura z wywierconymi od góry otworkami, podłączona jest szczelnie z obydwu stron - z jednej do źródła palnego gazu (na przykład propanu), z drugiej strony szczelnie przylega do głośnika. Rurę (zwaną tubą) wypełnia się gazem a gaz ulatniający się przez wywiercone otwory - należy podpalić: WŁĄCZ GŁOŚNIKI!! SPIS TREŚCI link

Czy można zobaczyć dźwięk? Drugim efektownym eksperymentem z falami dźwiękowymi jest doświadczenie ukazujące Figury Chladniego. Tym razem fale dźwiękowe mogą rozchodzić się nie tylko wzdłuż jednego kierunku, tak jak w Tubie Rubensa, lecz w dwóch - wzdłuż i wszerz płaszczyzny. Drgającym ośrodkiem jest płyta posypana solą. I znów - dla konkretnych częstotliwości dźwięku powstanie fala stojąca. Drobinki soli drgają na całej płycie oprócz miejsc, w których fala jest nieruchoma - węzłów fali. Tworzą niesamowite kształty!!! WŁĄCZ GŁOŚNIKI!! SPIS TREŚCI link

Planowanie eksperymentu My też postanowiliśmy zobaczyć dźwięk!!! Ponieważ nie mogliśmy bawić się ogniem, wykorzystaliśmy nasz zestaw CoachLab II+. Wykorzystamy fakt, że lokalne zmiany ciśnienia można zamienić na sygnał elektryczny! Ten fakt wykorzystany jest np. w mikrofonie! Zjawisko odwrotne wykorzystuje się w głośnikach! SPIS TREŚCI

Przeprowadzenie eksperymentu Do konsoli CoachLab II+ podłączamy czujnik ciśnienia. Otwieramy ćwiczenie ZOBACZYĆ DŹWIĘK. Ustawiamy parametry pomiaru, a następnie uruchamiamy pomiar. Badaliśmy dźwięk kamertonu oraz wypowiadane przez każdego z nas samogłoski. SPIS TREŚCI

wyniki eksperymentu Na ekranie uzyskujemy wykres zależności lokalnych zmian ciśnienia od czasu: SPIS TREŚCI

Opracowanie wyników Sam wynik zmian ciśnienia jest dla nas mało interesujący, ale za pomocą funkcji transformata Fouriera programu Coach możemy uzyskać widmo zarejestrowanego przez nas dźwięku: SPIS TREŚCI

ZAWODY!!! Szybko odkryliśmy, że możemy urządzić zawody, kto z nas wypowie „najczyściej” samogłoskę „a”, czyli widmo rejestrowanego sygnału powinno być zbliżone do widma tonu. SPIS TREŚCI

Najlepszy i najgorszy wynik SPIS TREŚCI Nie powiemy czyje to wykresy!!! Zdradzimy tylko, że najlepszy wynik to dziewczyna, a najgorszy to chłopak:D

Podsumowanie i wnioski Temat dźwięków okazał się bardzo obszerny, musieliśmy zacząć od wyjaśnienia drgań i usystematyzowania wiadomości o falach. Przy wyjaśnianiu wielu pojęć i zjawisk Internet okazał się fantastycznym źródłem informacji, szczególnie zamieszczone animacje i filmy. Poznaliśmy nazwy i wyjaśnienie wielu zjawisk fizycznych, z którymi mamy na co dzień do czynienia, np. efekt Dopplera, czy rezonans. Odbyliśmy ciekawą podróż w głąb ludzkiego ucha, dowiadując się jak to się dzieje, że słyszymy. Postawiliśmy sobie problem badawczy: czy można zobaczyć dźwięk? Wykorzystując zestaw Coach zarejestrowaliśmy dźwięk i przeprowadziliśmy jego analizę. SPIS TREŚCI

Źródła Przy przygotowaniu prezentacji korzystaliśmy z: http://pl.wikipedia.org http://supermozg.gazeta.pl/ Acoustics and Vibration Animations http://fizykon.org/akustyka/spis_akustyka.htm http://www.iwiedza.net http://www.youtube.com/ SPIS TREŚCI

Dziękujemy za uwagę i do następnego razu!!! AUTORZY Mirela Baranowska Agnieszka Bączyk Szymon Bączyk Jakub Brożek Jagoda Janik Zuzanna Kurnatowska Adam Leśniewicz Marianna Leszczyńska Aneta Kaczmarek Maja Kujawa Karolina Staszak Damian Przybylski Weronika Woźnikiewicz pod opieką Pana Dariusza Madeja. SPIS TREŚCI Dziękujemy za uwagę i do następnego razu!!!