Исследовательская работа » Визуализация звуковых колебаний»

Мы живем в мире звуков. Оказывается звуки можно не только услышать, но и увидеть. Я узнал об этом при посещении музея занимательных наук «Интеллектус» в городе Уфе. Меня заинтересовал опыт с песком, рассыпанным на металлической пластине. Когда смычком проводили по пластине, возникал звук и песок располагался на пластине так, что появлялся красивый узор. Я узнал, что этот узор называется фигурой Хладни. В честь немецкого физика основателя экспериментальной акустики Эрнста Хладни.

Цель моей работы: визуализировать звуковые колебания и выявить зависимость фигуры Хладни от свойств пластины и сыпучего материала.

Задачи: изучить биографию Эрнста Хладни и теорию о звуковых и стоячих волнах, собрать установку и получить фигуры Хладни, выяснить зависимость изображения от свойств пластины и сыпучего материала.

В упругой пластине под действием звука возникают стоячие волны, как результат сложения самой волны и волны, отраженной от края пластины.
Фигура Хладни образуется, потому что мелкая частица подпрыгивает на вибрирующей от звука пластине и стремится туда, где вибрация наименьшая. Для получения фигур Хладни, я собрал установку из компьютерных колонок и динамика домашнего кинотеатра. К динамику прикрепил пластмассовый стакан, а к нему лист ДВП. Для того чтобы настраивать частоту звука я скачал на смартфон программу звукового генератора.

С помощью этой установки я провел 6 экспериментов.

1. Эксперимент 1. Исследовал зависимость фигур Хладни от выбора источника звуковых волн. Сначала я получил фигуру на листе ДВП из манной крупы, используя компьютерную колонку. Затем я провел этот же опыт с автомобильной колонкой. Что интересно, при одной и той же частоте звуковой волны, в обоих опытах фигуры получились одинаковые.
2. Эксперимент №2. Исследовал зависимость фигур Хладни от частоты звуковой волны. С помощью смартфона я менял частоту звуковой волны и наблюдал за картиной узлов и пучностей. Оказалось, что простые фигуры образуются низкими частотами, а более сложные — высокими частотами.
3. Эксперимент №3. Исследовал зависимость фигур Хладни от материала пластин. Я взял лист ДВП размером 40 на 40 см. и лист пластика таких же размеров. Получил на них фигуры Хладни при одинаковой частоте. Эти фигуры отличались друг от друга. Значит, картина узлов и пучностей зависит от материала пластины.
4. Эксперимент №4. Исследовал зависимость фигур Хладни от рода сыпучих материалов. Я наблюдал за узорами, которые создавали на пластине частички манной крупы при частоте звуковой волны 110 Гц. А затем повторил опыт, но заменил крупу на соль. Сравнив узоры, пришел к выводу, что вид фигур Хладни не зависит от размеров сыпучих материалов.
5. Эксперимент №5. Исследовал зависимость фигур Хладни от формы пластин. Я получил фигуры Хладни на четырех листах пластика, имеющих разную форму. Узоры отличались друг от друга. Следовательно, картина узлов и пучностей зависит от формы пластины.
6. Эксперимент №6. Получить фигуры Хладни на поверхности воды. Я расположил динамик на ровной поверхности, на него поставили ванночку с водой. Увидел, что появление стоячих волн и фигур Хладни можно наблюдать и в жидкой среде.

Результаты моей исследовательской работы можно использовать в учебных целях во время уроков или внеурочной деятельности для наглядной демонстрации стоячих волн на примере фигур Хладни.