Akustinio ruporo veikimo principas Akustinės bangos. Akustinio ruporo veikimo principas Buivydiškių pagrindinė mokykla Oskaras Žukauskas 8 klasė Mokytoja metodininkė Irena Šauklienė Konkursas: „Fizikos bandymai aplink mus 2017”

Turinys 1. Kas yra akustinės bangos? 2. Akustinių bangų sklidimas 3. Akustines bangas apibūdinantys fizikiniai dydžiai 4. Akustinių bangų savybės 5. Akustinių bangų rūšys 5.1 Išilginės akustinės bangos 5.2 Skersinės akustinės bangos 5.3 Paviršinės akustinės bangos 5.4 Infragarsas 5.4.1 Infragarso taikymas 5.5 Garsas 5.5.1 Garso taikymas 5.6 Ultragarsas 5.6.1 Ultragarso taikymas elektronikos prietaisuose 5.6.2 Ultragarso taikymas laivininkystėje 5.6.3 Ultragarso taikymas medicinoje 5.6.4 Ultragarso taikymas kitose srityse 6. Akustinis ruporas 7. Akustinio ruporo veikimo principas 8. Akustinių bangų sklidimas rupore 9. Akustinio ruporo parametrai 10. Akustinių ruporų rūšys 11. Bandymas. Juodkrantės „garsų gaudyklė“ 12. Uždavinių sprendimo pavyzdžiai 13. Testas 14. Naudota literatūra

1. Kas yra akustinės bangos? Žodis „akustinis“ (gr. ἀκουστικός) – akoustikos yra kilęs iš graikų kalbos ir reiškia „girdimasis“. Akustinės bangos dažnai vadinamos garso bangomis. Akustinė (garso) banga yra sklindantis tampriosios medžiagos dalelių virpesys. Akustinių virpesių dažnių diapazonas yra labai platus – nuo herco dalių iki 1013 Hz. Akustinės elektronikos įtaisuose dažniausiai naudojami ultragarsiniai (2104–109 Hz) ir hipergarsiniai (109–1013 Hz) virpesiai.

2. Akustinių bangų sklidimas Pagrindinė sąlyga akustinių bangų sklidimui – tai tampri medžiaga sudaryta iš dalelių, kurios viena kitai perduoda akustinės bangos energiją. Akustinės bangos sklinda dujose, skysčiuose ir kietuosiuose kūnuose. Akustinės bangos vakuume nesklinda, nes jame nėra dalelių, kurios perneštų akustinės bangos energiją.

3. Akustines bangas apibūdinantys fizikiniai dydžiai Akustinės bangos yra apibūdinamos bangos ilgiu, virpesių periodu, dažniu, amplitude, sklidimo greičiu. Akustinės bangos ilgis apskaičiuojamas pagal formulę:  = 𝑣 𝑓 =𝑣 ∙𝑇; čia:  − 𝑏𝑎𝑛𝑔𝑜𝑠 𝑖𝑙𝑔𝑖𝑠, 𝑚; 𝑣 −𝑏𝑎𝑛𝑔𝑜𝑠 𝑠𝑘𝑙𝑖𝑑𝑖𝑚𝑜 𝑔𝑟𝑒𝑖𝑡𝑖𝑠, 𝑚 𝑠 ; 𝑓−𝑑𝑎ž𝑛𝑖𝑠, 𝐻𝑧; 𝑇 −𝑣𝑖𝑟𝑝𝑒𝑠𝑖ų 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑎𝑠, 𝑠 Akustinės bangos pernešamą energiją apibūdina garso stipris: 𝐼, 𝑊 𝑚 2 ; Klausos organais suvokiamas garso pojūtis vadinamas garsumu arba garso lygiu, jis praktikoje matuojamas decibelais: 1𝑑𝐵=0,1𝐵. Jis priklauso nuo akustinių bangų amplitudės: kuo didesne amplitudė, tuo didesnis garso lygis

4. Akustinių bangų savybės Atspindys. Akustinėms bangoms pereinant iš vienos į kitą, skirtingų savybių terpę, jos atsispindi nuo šių terpių sandūros. Sklisdama oru, banga atsispindi nuo sienos, sklisdama vandeniu – atsispindi nuo jūros dugno ir pan. Garso bangų atveju atsispindėjęs nuo kliūties garsas grįžta ir mes girdime aidą. Difrakcija. Akustinės bangos gali aplenkti kliūtis, pasitaikiusias sklidimo kryptimi arba prasiskverbti per nedideles atviras sutiktos kliūties ertmes (1pav.). Taip pat mes girdime garsą iš garso šaltinio, kurio nematome, pvz.: esančio už namo kampo. Ši akustinių bangų savybė vadinama difrakcija. Kuo didesnis bangos ilgis tuo difrakcija pasireiškia labiau. 1pav. Akustinių bangų difrakcija Jeigu sutiktos kliūties matmenys yra lygūs arba didesni už akustinės bangos ilgį, tai akustinė banga kliūties aplenkti negali. Tokiu atveju kliūtis sugeria arba atspindi akustinės bangos energiją ir už kliūties susiformuoja akustinis šešėlis.

4. Akustinių bangų savybės Refrakcija. Akustinėms bangoms sklindant ta pačia aplinka, tačiau keičiantis šios aplinkos savybėms, priklausomai nuo savybių pokyčio, akustinės bangos gali keisti savo judėjimo kryptį. Pavyzdžiui: akustinėms bangoms sklindant ore ir pereinant iš šaltesnės oro masės sluoksnio į šiltesnį, bangos sklidimo kryptis pasikeičia, banga tarsi užlinksta (2pav.). Šis reiškinys vadinamas refrakcija. Bangos užlinkimas įvyksta todėl, kad skirtingos temperatūros ore, akustinės bangos sklinda skirtingu greičiu. Rezonansas. Akustinės bangos, susidūrusios su bet kuriuo kūnu, priverčia jį svyruoti. Jeigu to kūno savojo svyravimo dažnis sutampa su akustinės bangos dažniu, tai banga turi palankiausias sąlygas perduoti energiją kūnui ir priverstinio kūno svyravimo amplitudė padidėja. Šis reiškinys vadinamas akustiniu rezonansu. 2 pav. Akustinių bangų refrakcija

5. Akustinių bangų rūšys Pagal akustinių bangų energiją pernešančių dalelių judėjimo pobūdį: a) išilginės bangos; b) skersinės bangos; c) paviršinės bangos; Pagal akustinių bangų virpesių dažnį akustinės bangos skirstomos į: a) infragarso bangas: 0-16Hz; b) žmogaus girdimas bangas (arba tiesiog garso bangas): 16Hz-20kHz; c) ultragarso bangas: 20kHz-10GHz; \ 3pav. Akustinių bangų skalė

5.1 Išilginės akustinės bangos Begalinių matmenų kietajame kūne gali sklisti išilginės ir skersinės tūrinės bangos. Sklindant išilginei bangai, kietojo kūno dalelės virpa apie pusiausvyros padėtis kryptimi, sutampančia su bangos sklidimo kryptimi (4 pav.). Išilginės akustinės bangos judėjimą vaizduoja 5 pav. 4 pav. Išilginės akustinės bangos dalelių judėjimo 5 pav. Išilginės akustinės bangos dalelių judėjimo kryptys sklidimas Ore sklindantis garsas taip pat yra išilginė akustinė banga

5.2 Skersinės akustinės bangos Begalinių matmenų kietajame kūne sklindant skersinei bangai,  kietojo kūno dalelės virpa apie pusiausvyros padėtis kryptimi, statmena bangos sklidimo krypčiai (6 pav.). Skersinės akustinės bangos judėjimą vaizduoja 7 pav. 6 pav. Skersinės akustinės bangos dalelių judėjimo 7 pav. Skersinės akustinės bangos dalelių judėjimo kryptys sklidimas

5.3 Paviršinės akustinės bangos Kietojo kūno paviršiniu sluoksniu gali sklisti paviršinės bangos. Tada virpa tik paviršinio sluoksnio, kurio storis apytikriai lygus bangos ilgiui, dalelės (8 pav.). 8 pav. Skersinės akustinės bangos dalelių judėjimo 9 pav. Skersinės akustinės bangos dalelių judėjimo kryptys sklidimas Sklindant paviršinei bangai, paviršinio sluoksnio dalelės juda elipsinėmis trajektorijomis. Didžioji elipsės ašis yra statmena paviršiui, o mažoji – lygiagreti su bangos sklidimo kryptimi (9 pav.).

5.4 Infragarsas Infragarso akustinės bangos – tai žemo dažnio bangos, kurių virpesių dažnis yra žemesnis nei 16Hz Infragarso akustinių bangų ilgis yra didelis. Pvz.: 16Hz dažnio bangos ilgis yra 21m. Gamtoje sutinkami infragarso šaltiniai: vėjas, griaustinis, žemės drebėjimas, vulkanų išsiveržimas. Pavyzdžiui: Fuego vulkano išsiveržimo Gvatemaloje metu buvo užfiksuotos 120dB garso stiprumo ir 10Hz dažnio infragarso akustinės bangos. Žinoma, kad drambliai bendraudami tarpusavyje dideliais atstumais naudodoja infragarsą. Nors infragarso akustinių bangų žmogus negirdi, tačiau jų poveikis žmogui gali sukelti nemalonius pojūčius ar netgi mirtį. Taip yra todėl, kad žmogaus vidaus organai prie kaulų pritvirtinti elastingais minkštaisiais audiniais, todėl gali virpėti. Visi jie turi savajį virpesių dažnį. Pvz.: žmogaus akies obuolio savasis virpesių dažnis yra apie 18Hz, širdies, kepenų, skrandžio, inkstų savasis virpesių dažnis yra žemesnis nei 12Hz ir tai patenka į infragarso diapazoną. Sutapus išorinės akustinės bangos ir vidaus organo savajam dažniui įvyksta rezonansas, vidaus organo virpesių amplitudė stipriai išauga, ir tai gali laikinai arba negrįžtamai sutrikdyti organo gyvybines funkcijas.

5.4.1 Infragarso taikymas Infragarso akustinių bangų taikymas praktikoje nėra paplitęs, tačiau tam tikrų bandymų jas panaudoti karinėje pramonėje yra buvę. Pirmasis bandymas atkurti infragarso akustines bangas buvo atliktas 1957m. rusų kilmės prancūzų mokslininko Vladimiro Gavreau. Jis buvo paprašytas atlikti tyrimą kas sukelia ligas darbuotojams vienoje Marselio gamykloje. Paaiškėjo, kad ten esantys ventiliatoriai generuoja infragarsinius virpesius, kurie ir yra darbuotojų blogos savijautos priežastis. Šį efektą minėtas mokslininkas pabandė pritaikyti Prancūzijos kariuomenei, pagamindamas akustinio ginklo prototipą. Jis buvo išbandytas čia pat laboratorijoje. Įsitikinta, kad efektas organizmui yra mirtinas netgi esant trumpalaikiam poveikiui. Vienas iš laboratorijos darbuotojų mirė iš karto, jo vidaus organai akustinių bangų virpesių buvo suardyti iki želinės konsistencijos. Vienintelis žinomas infragarsinių akustinių bangų ginklas kariniais tikslais buvo panaudotas II Pasaulinio karo pabaigoje. Taip vadinamą „Luftkanon“ ginklą vokiečių armija naudojo tilto per Elbę apsaugai prieš lėktuvų antskrydžius. Šis ginklas 300m atstumu galėjo sutrikdyti lakūnų regėjimą. 30m atstumu jo poveikis buvo mirtinas. Tam užtekdavo 30-40 sekundžių.

5.5 Garsas Žmogaus girdimos akustinės bangos – tai bangos kurių virpesių dažnis yra nuo 16Hz iki 20kHz. Šios bangos vadinamos tiesiog garso bangomis arba garsu. Garso bangų ilgis siekia nuo 21m iki 17mm. Garsą apibūdina tokie parametrai kaip: garso tonas, garso tembras, garso stipris, garsumas. Garso tonas – tai garsas atitinkantis kurio nors vieno dažnio virpesius. Kuo aukštesnis virpesių dažnis tuo tonas yra aukštesnis. Garso tembras – tai garso atspalvis, kurį sąlygoja pagrindinį toną papildantys aukštesni tonai, vadinami virštoniais. Garso stipris – tai dydis lygus energijos kiekiui, kurį garso banga perneša per vienetinį laiką pro vienetinį plotą, statmeną bangos sklidimo krypčiai. Garsumas – klausos organais suvokiamo garso pojūtis Triukšmas – tai sudėtingas garsas, sudarytas iš netvarkingai kintančių įvairaus dažnio garsų, iš kurių beveik neįmanoma išskirti pavienių tonų.

5.5.1 Garso taikymas Akustinių bangų pagalba galima netgi užgesinti ugnį. Tokio akustinio gesintuvo veikimas pagrįstas akustinių bangų savybe, kad joms sklindant ore susidaro dalelių sutankėjimai ir išretėjimai. Jei šį išretėjimą nukreipsime ties ugnies pagrindu, ugnies degimui išretėjusiame ore pritrūks deguonies ir ugnis užges. Akustinio gesintuvo išradėjai studentai Vietas Tranas and Setas Robertsonas remdamiesi akustikos teorija, eksperimentavo ugnies gesinimui naudodami aukšto dažnio akustines bangas. Tačiau ugnis nuo šių bangų tik virpėjo, bet neužgeso. Tuomet jie perėjo prie žemo dažnio 30-60Hz akustinių bangų ir jos netikėtai sėkmingai užgesino degančią ugnį. Toks gesintuvas buvo išbandytas kosminiame erdvėlaivyje Space Shuttle. Bandymo metu buvo užgesinta žvakės liepsna. Tačiau dideliems gaisrams gesinti tokie gesintuvai nėra efektyvūs. Tokiais atvejais yra paprasčiau naudoti tradicinius gesinimo metodus.

5.6 Ultragarsas Ultragarsas – tai akustinės bangos, kurių virpesių dažnis yra aukštesnis nei viršutinė žmogaus girdimumo riba, t.y. 20kHz. Ultragarso akustinių bangų dažnis yra nuo 20kHz iki 10GHz. Ultragarso bangų ilgis ore prie 20kHz dažnio esant vidutiniam atmosferos slėgiui yra 1.9cm ir didėjant dažniui mažėja. Taigi ultragarsas yra žmogui negirdimos, labai aukšto dažnio ir mažo bangos ilgio akustinės bangos. Ultragarsas yra labai plačiai taikomas įvairiose srityse: elektronikoje, navigacijos sistemose, pramonėje, saugumo srityje, medicinoje.

elektronikos prietaisuose 5.6.1 Ultragarso taikymas elektronikos prietaisuose Ultragarsas taikomas įvairiuose elektronikos prietaisuose, pavyzdžiui fotoaparatuose. Fotoaparatuose ultragarso sistemos yra naudojamos automatinėse arba aktyviose fokusavimo sistemose. Tokia sistema pirmą kartą buvo įdiegta 1972m. Polaroid SX-70 fotoaparate. Šioje sistemoje, ultragarsinis generatorius generuoja 60 kHz akustinę bangą, kuri atsispindi nuo priešais esančio objekto ir grįžta atgal. Ultragarsinis kameros jutiklis fiksuoja atsispindėjusią bangą ir pagal bangos sklidimo laiką nustato atstumą iki objekto. Pagal gautus duomenis sistema automatiškai nustato fotoaparato objektyvo lęšio židinio atstumą. Ši sistema efektyviai veikia esant atstumui 0.2m-10m. Tačiau sistema neefektyvi, jei prieš kamerą yra keli objektai arba fotografuojamas objektas yra už stiklo. Šiuolaikiniuose fotoaparatuose naudojamos tobulesnės daugiataškės automatinio fokusavimo sistemos. 10 pav. Polaroid automatinė fokusavimo sistema

5.6.2 Ultragarso taikymas laivyninkystėje Ultragarso atspindžio principas plačiai taikomas vandenynų ir jūrų dugno tyrimuose, hidrografijoje – sudarant batimetrinius dugno žemėlapius. Laivų echolocacinės sistemos analizuodamos ultragarso akustinių bangų atspindžius nustato: gylį, dugno formą, žvejybiniai laivai aptinka didelius žuvų sambūrius, kariniai laivai aptinka povandeninius laivus. 11 pav. Ultragarso taikymas hidrografijoje

5.6.3 Ultragarso taikymas medicinoje Ultragarsas plačiai taikomas medicinoje. Ultragarsinio skenerio pagalba realiu laiku yra skenuojami vidaus organai stebima jų būklė, nustatomi jų pakitimai. Tokio diagnostikos būdo privalumai: nereikalinga chirurginė intervencija, skirtingai nei rentgenografijoje, ultragarsinis tyrimas nekelia pavojaus vidaus organams. Tyrimas atliekamas realiu laiku. Didelės galios ultragarsinis prietaisas naudojamas inkstuose susidariusiems akmenims šalinti. Prietaisas nukreipiamas tiksliai į reikiamą kūno vietą ir didelės galios smūgine banga inkstuose esanti akmuo sutrupinamas į smulkias smėlio daleles, kurios pasišalina kartu su šlapimu. Odontologai ultragarsą naudoja dantų apnašoms šalinti. 11 pav. Ultragarsinės echoskopijos aparatas

5.6.4 Ultragarso taikymas kitose srityse Ultragarsą akinių specialistai naudoja akinių stiklų valymui. Akinių stiklai panardinami į vandenį specialioje vonelėje (12 pav.), kurį virpina ultragarsas. Taip virpesiai nupurto visus prilipusius nešvarumus. Tuo pačiu principu valomi ir juvelyriniai dirbiniai, taip pat gali būti valomi drabužiai, automobilių detalės ar netgi gatvių šviestuvų gaubtai. Pieno pramonėje ultragarsu taip pat yra naikinamos piene esančios bakterijos. Taip pienas išlaikomas šviežias ilgesnį laiką. 12 pav. Ultragarsinė juvelyrinių dirbinių ir akinių valymo vonelė 13 pav. Ultragarsu nuvalyta automobilio detalė

6. Akustinis ruporas Akustinis ruporas – tai pasyvus akustinis įrenginys, dažniausiai naudojamas akustinėse sistemose, taip vadinamose garso kolonėlėse arba garsiakalbiuose, kurios skirtos garsui atkurti. Garso šaltinis šiose sistemose yra elektromechaninis prietaisas – garsiakalbis, montuojamas ruporo įėjime. Akustinis ruporas sudarytas iš trijų dalių: mažesniosios ertmės arba „gerklės“ prie kurios tvirtinamas garso šaltinis arba ateina akustinės bangos iš aplinkos; „kaklo“, kuris apibūdina ruporo ilgį ir „burnos“ arba didesnės ertmės, iš kurios akustinės bangos išeina. Akustinės sistemos, kurios naudoja akustinius ruporus, atkuriamas garsas skamba garsiau. Tačiau ruporas nestiprina garso signalo, bet suderina garso šaltinio ruporo įėjime ir aplinkos varžą. Ruporas padidina sistemos efektyvumą, kryptingumą, eliminuoja nepageidaujamo akustinės sistemos rezonanso atsiradimo galimybę. 14 pav. Akustinio ruporo sandara

7. Akustinio ruporo veikimo principas Akustinėms bangoms sklindant išilgai akustinio ruporo iš įėjimo link išėjimo kryptimi, didelio slėgio ir mažos amplitudės akustinės bangos ruporo įėjime, judėdamos išilgai ruporo yra transformuojamos į mažo slėgio ir didelės amplitudės akustines bangas ruporo išėjime. Šį reiškinį lemia akustinio ruporo mechaninė konstrukcija. Ruporo skerspjūvio plotas judant nuo įėjimo link išėjimo, priklausomai nuo ruporo tipo, tiesiškai arba netiesiškai didėja. 15 pav. Akustinio ruporo veikimo principas. A – garso šaltinis (garsiakalbis), B – ruporas ir juo sklindanti akustinė banga. Akustinių bangų amplitudė tiesiogiai įtakoja garso stiprumo jutiminį suvokimą. Kuo didesnė amplitudė, tuo garsą girdime garsiau. Akustinis ruporas – tai kryptinis akustinis įrenginys. Akustinių bangų amplitudė padidėja tik ruporo išėjime. Kitomis kryptimis šio efekto nėra.

8. Akustinių bangų sklidimas rupore Akustinių bangų sklidimas rupore pavaizduotas 16 pav. Aukšto dažnio akustinės bangos yra labiau kryptinės. Kaip matome paveiksle, patekusios į ruporo įėjimą ir keliaujant išilgai ruporo, jų amplitudė padidėja. Didžiausia amplitudė būna ties ruporo išėjimu. Toliau bangos išeina iš ruporo ir erdvėje sklinda labai kryptingai. Tie patys efektai vyksta ir su vidutinio bei žemo dažnio akustinėmis bangomis. Tačiau vidutinių dažnių akustinės bangos ruporo išėjime yra mažiau kryptinės, o mažiausias kryptingumas pasiekiamas žemo dažnio bangoms. 16 pav. Akustinių bangų sklidimas rupore

9. Akustinio ruporo parametrai Ruporo įėjimo skersmuo. Ruporo įėjimo (siaurosios) angos skersmuo nulemia, kokio trumpiausio ilgio akustinės bangos galės sklisti per ruporą. Kitaip sakant, šis parametras apsprendžia ruporo praleidžiamų akustinių bangų viršutinę dažnių ribą. Įėjimo skersmuo turi būti lygus dviems norimos praleisti akustinės bangos ilgiams. Pavyzdžiui: 10 000 Hz akustinė banga -> maksimalus skersmuo 17 mm; 15 000 Hz akustinė banga-> maksimalus skersmuo 11.3 mm; 20 000 Hz akustinė banga -> maksimalus slersmuo 8.5 mm. Ruporo išėjimo skersmuo. Ruporo įėjimo (plačiosios) angos skersmuo nulemia, kokio ilgiausio bangos ilgio akustinės bangos galės sklisti per ruporą. Kitaip sakant, šis parametras apsprendžia ruporo praleidžiamų akustinių bangų apatinę dažnių ribą. Išėjimo skersmuo turi būti lygus pusei norimos praleisti akustinės bangos ilgio. 100 Hz akustinė banga -> minimalus skersmuo 1.7 m; 50 Hz akustinė banga-> minimalus skersmuo 3.4 m; 20 Hz akustinė banga -> minimalus slersmuo 8.5 m.

9. Akustinio ruporo parametrai Ruporo kaklelio ilgis arba ruporo ilgis. Ruporo ilgis priklauso nuo ruporo išėjimo skerspjūvio ploto. Tam tikrą išėjimo skerspjūvio plotą turi atitikti tam tikras ruporo ilgis. Eksponentinio tipo ruporo ilgiui apskaičiuoti naudojama formulė: 𝐿= (log 𝐴 − log (𝑎))∙4000 𝑓∙0.4343 Č𝑖𝑎: A − išėjimo skerspjūvio plotas, cm2; a− įėjimo skerspjūvio plotas, cm2; f − žemiausias akustinės bangos dažnis, Hz; L − ruporo ilgis, cm.

10. Akustinių ruporų rūšys 17 pav. Akustinių ruporų rūšys pagal formą Viena svarbiausių akustinio ruporo charakteristikų yra akustinio ruporo forma. Visiems akustiniams ruporams būdinga platėjanti, einant ruporo išėjimo kryptimi forma, tačiau skirtingų tipų akustiniai ruporai turi skirtingus skerspjūvio ploto didėjimo koeficientus. Akustinio ruporo skerspjūvis yra atstumo nuo įėjimo iki išėjimo išilgai ruporo ašies funkcija. Ši funkcija suteikia ruporo sienelėms tam tikrą formą. Pagal akustinio ruporo formą akustiniai ruporai yra skirstomi į kelias pagrindines rūšis: 1) Kūginiai; 2) Eksponentiniai; 3) Hiperboliniai; 4) Paraboliniai

10. Akustinių ruporų rūšys Kūginis ruporas. Šį ruporą yra lengva suprojektuoti ir pagaminti tačiau jam būdingas pakankamai nedidelis akustinių bangų amplitudės padidėjimas ruporo išėjime. Parabolinis ruporas. Jo forma kiek sudėtingesnė, tačiau akustinis efektas panašus į kūginio ruporo. Eksponentinis ruporas. Pasižymi puikiomis akustinės varžos tarp garso šaltinio ir aplinkos suderinimo savybėmis plačiame dažnių diapazone, tačiau pasitaiko tam tikrų charakteristikų netolygumų. Tiksliai pagaminti nėra paprasta. Hiperbolinis ruporas. Jo forma leidžia pasiekti dar geresnį akustinį efektą nei eksponentinio ruporo atveju, tačiau taip pat būdingi charakteristikų netolygumai. Tiksliai suprojektuoti ir pagaminti – nėra paprasta. 18 pav. Eksponentinio akustinio ruporo brėžinys

11. Bandymas JUODKRANTĖS „GARSŲ GAUDYKLĖ“

11. Bandymas Problema: Tikslas: Juodkrantės miške sumontuoto akustinio ruporo „garsų gaudyklės“ autoriai teigia, kad jų įrenginys sustiprina miško garsus. Kaip nustatyti ar šis akustinis ruporas veikia? Tikslas: Atlikti akustinių bangų sklindančių šiuo ruporu garso lygio matavimus ruporo išėjime. Išmatuoti akustinio ruporo konstrukcinius parametrus, kuriais remiantis apskaičiuoti, kokio dažnio akustinėms bangoms šis ruporas yra pritaikytas. Vizualiai patikrinti ar nėra padaryta konstrukcijos, ar jos orientavimo klaidų. Išanalizavus atliktų matavimų bei skaičiavimų rezultatus nustatyti ar šis akustinis ruporas padidina juo sklindančių akustinių bangų amplitudę, t.y. sustiprina miško paukščių čiulbėjimo ir kitus miško garsus.

11. Bandymas Hipotezė: Tyrimo priemonės: Daugumos miško paukščių čiulbėjimas patenka į garso bangų dažnio diapazoną nuo 1200Hz iki 3500Hz. Jeigu šio dažnio garso bangų amplitudė akustinio ruporo išėjime padidės – tai galėsime teigti, kad ruporas veikia. Tyrimo priemonės: 1) Garso lygio matuoklis VZ8922; 2) Mobilusis telefonas su garso dažnių generatoriaus programėle „Simple tone generator“; 3) Belaidė kolonėlė JBL GO; 4) Stovas belaidei kolonėlei reikiamame aukštyje tvirtinti; 5) Nešiojamas kompiuteris, matavimų duomenų kaupimui ir apdorojimui. 19 pav. Matavimų priemonės

11. Bandymas Tyrimo eiga: Stovas su belaide kolonele, atliekančia garso šaltinio funkciją, statomas ties akustinio ruporo mažąja anga, vadinama įėjimu. Garso kolonėlė susiejama su mobiliuoju telefonu „bluetooth“ sąsaja. Telefone paleidžiamas dažnių generatorius, generuojantis signalą pradedant nuo 16000Hz. Signalo dažnis tolygiai keičiamas mažėjimo tvarka, kol pasiekia 150Hz. Tokie generatoriaus nustatymai parinkti pagal belaidės kolonėlės atkuriamų dažnių diapazoną. Garso matuokliu matuojamas garso signalo lygis ruporo išėjime, t.y. ties plačiąja anga. Matavimų duomenys kaupiami kompiuteryje. 20 pav. Garso lygio matavimas ruporo išėjime

11. Bandymas Tyrimo eiga: Tam, kad įvertinti, kokį akustinį efektą įneša akustinis ruporas, matavimai tomis pačiomis sąlygomis pakartojami garso signalui sklindant ne ruporu, bet atviroje erdvėje, užtikrinant tą patį atstumą tarp belaidės garso kolonėlės ir garso matuoklio mikrofono. Tuo tikslu stovas su garso signalo šaltiniu pastatomas ne prieš akustinio ruporo įėjimą, o šalia jo esančioje atviroje miško aikštelėje. Pamatuojamas atstumas tarp garso šaltinio ir garso matuoklio mikrofono – jis yra toks pats, koks buvo atliekant matavimus dalyvaujant ruporui (21 pav.). Gauti rezultatai kaupiami kompiuteryje. Matavimų rezultatai atvaizduojami amplitudės priklausomybės nuo dažnio grafikais (22 pav.). L 21 pav. Garso lygio matavimas atviroje erdvėje

11. Bandymas 22 pav. Garso signalo lygio matavimų 150Hz-15000Hz dažnių diapazone atviroje erdvėje (SPL, dB) ir naudojant akustinį ruporą (SPL (ruporo), dB) rezultatų palyginimas

11. Bandymas 23 pav. Garso signalo lygio matavimų 150Hz-15000Hz dažnių diapazone atviroje erdvėje (SPL, dB) ir naudojant akustinį ruporą (SPL (ruporo), dB) rezultatų palyginimas. Punktyrinėmis linijomis pažymėtos suvidurkintos garso lygio matavimų reikšmės

11. Bandymas Akustinio ruporo konstrukcinių parametrų patikrinimas: Išmatuojame akustinio ruporo matmenis: įėjimo skersmenį, išėjimo skersmenį bei akustinio ruporo ilgį. Pagal savo formą tai yra kūginis akustinis ruporas. d = 0,86m L = 3,08m D = 2,60m 23 pav. Akustinio ruporo konstrukcijos matmenys

11. Bandymas Akustinio ruporo matmenys: Ruporo įėjimo skersmuo 𝑑=0.86𝑚; Ruporo ilgis 𝐿=3.08𝑚; Ruporo išėjimo skersmuo 𝐷=2.6𝑚; Remiantis teorija pagal matmenis apskaičiuojame akustinio ruporo praleidžiamų aukšto dažnio bangų viršutinę ribą: 𝑑=2∙ ; = 𝑑 2 = 0.86𝑚 2 =0.43𝑚; 𝑓= 𝑣  = 343 𝑚 𝑠 0.43𝑚 =789 𝐻𝑧; Toliau apskaičiuojame akustinio ruporo praleidžiamų žemo dažnio bangų apatinę ribą: 𝐷=  2 ; =2∙ 𝐷=2∙ 2.6𝑚=5.2𝑚; 𝑓= 𝑣  = 343 𝑚 𝑠 5.2𝑚 =66 𝐻𝑧; * Skaičiavimuose naudojame garso bangos greičio reikšmę prie 20℃ temperatūros

11. Bandymas Bandymo išvados: Bandymo metu atlikti garso lygio matavimai parodė, kad akustinio ruporo išėjime sklindančios akustinės bangos amplitudė padidėja. Kaip pavaizduota 22 pav., kai kurios reikšmės padidėja ~8dB. Tačiau gauta akustinio ruporo garso amplitudės priklausomybės nuo dažnio charakteristika yra labai netolygi. Įvairiose dažnių srityse matyti amplitudės pikai ir minimumai, todėl iš šio grafiko sunku įvertinti ar akustinis ruporas tikrai veikia. Tačiau analizuojant išmatuotų reikšmių vidurkį (23 pav.) matyti, kad garso bangų amplitudė šio akustinio ruporo išėjime padidėja nežymiai: didesnis efektas yra prie žemų dažnių ~6dB, o mus dominančiame 1200-3500Hz diapazone jis yra apie 3-4dB. Gauti rezultatai rodo, kad šis ruporas pasižymi prastomis akustinėmis savybėmis. Garso bangų amplitudė jo išėjime padidėja menkai. Amplitudinės charakteristikos netolygumų priežastis gali būti vidinė akustinio ruporo konstrukcija, kuri sudaryta ir 9-nių įvairiais kampais centrinės ašies atžvilgiu nukreiptų plokštumų, dėl kurių susidaro daugybė akustinės bangos atspindžių. Pagal išmatuotus akustinio ruporo matmenis apskaičiavus aukšto dažnio ir žemo dažnio akustinių bangų ribinius dažnius paaiškėjo, kad ruporas yra pritaikytas garso bangoms, kurių dažnis didesnis nei 66Hz ir mažesnis nei 789Hz. Kitų dažnių garso bangoms jis yra neefektyvus. Taigi į šią dažnių juostą daugumos miške gyvenančių paukščių čiulbėjimo skleidžiamos garso bangos nepatenka. Todėl jei norėsite miške pasiklausyti paukščių, to daryti „garsų gaudyklėje“ nėra būtina.

11. Bandymas Pasiūlymai „garsų gaudyklės“ tobulinimui: Kūginio tipo akustinis ruporas lyginant su kitomis ruporų rūšimis pasižymi prastesnėmis akustinėmis savybėmis, t.y. akustinės bangos amplitudę jis padidina mažiau nei tarkim eksponentinis ar hiperbolinis ruporas. Naudojant kitų formų akustinius ruporus galima būtų pasiekti didesnį akustinį efektą. Tačiau kūginio ruporo konstrukcijai išgauti nereikia brangesnių medžiagų. Todėl tokios ruporo formos pasirinkimas viešai lankomam objektui yra suprantamas ir pateisinamas. Projektuojant „garsų gaudyklę“ padarytos klaidos lėmė tai, kad šis ruporas veikia žemuose dažniuose. Norint pajausti kokybišką akustinį efektą (kad nereiktų anot autorių „laukti pusės valandos“, kad išgirsti miško garsus), reiktų perskaičiuoti ir perdaryti šio ruporo konstrukciją, kad ji veiktų aukštesniuose akustinių bangų dažniuose. Neatleistina akustiniu požiūriu, klaida yra padaryta pasirenkant akustinio ruporo orientaciją miško aikštelėje. Atkreipkite dėmesį į 24 pav. pavaizduotą akustinio ruporo nuotrauką. Ruporo orientacija parinkta taip, kad ruporo įėjimas yra nukreiptas tiesiai į šalia augantį brandų medį. Tokia kliūtis akustinio ruporo įėjime sudaro akustinį šešėlį. Jeigu medžio storis yra apie 43cm, tai garso bangos kurių dažnis yra pradedant 789Hz ir didesnis šio medžio yra užstojamos ir iki ruporo nebeateina.

11. Bandymas Pasiūlymai „garsų gaudyklės“ tobulinimui: 24 pav. Akustinio ruporo įėjimas orientuotas į brandų medį

11. Bandymas Pasiūlymai „garsų gaudyklės“ tobulinimui: 2015 metais pirmieji mediniai ruporai architektūros studentų buvo suprojektuoti ir sumontuoti Estijos miškuose. 25 pav. pavaizduota vieno iš trijų tokių sumontuotų ruporų įėjimo orientacija. Kaip matome jo neužstoja jokios kliūtys. 25 pav. Estijoje sumontuoto akustinio ruporo įėjimo orientacija

12. Uždavinių sprendimo pavyzdžiai 1 uždavinys. Šiltą vasaros vakarą leidžiant laiką lauko terasoje išgirstate įkyrų uodo zyzimą. Šį garsą uodas sukuria greitai, iki 600 kartų per sekundę, mosuodamas sparnais. Koks yra uodo skleidžiamo garso bangos ilgis, jei žinome, kad garso bangos sklidimo greitis yra 350 m/s? Duota: 𝑓=600 𝐻𝑧; Rasti: ,𝑚; Sprendimas:  = 𝑣 𝑓 ;  = 350 𝑚/𝑠 600 𝐻𝑧 = 0,583 m; Atsakymas:  = 0,583 m;

12. Uždavinių sprendimo pavyzdžiai 2 uždavinys. Viršutinė žmogaus klausos girdimumo riba yra akustinės bangos, kurių dažnis 20000z. Koks yra šių bangų bangos ilgis, jei aplinkos oro temperatūra yra 20ºC? Duota: 𝑓=20000 𝐻𝑧;𝑇=20℃; Rasti: ,𝑚; Sprendimas: Garso bangos greitis ore priklausomai nuo oro temperatūros apskaičiuojamas pagal formulę: 𝑣=331.4 𝑚 𝑠 + 0.6 𝑚/𝑠 ℃  𝑇 ℃ ; 𝑣=331.4 𝑚 𝑠 +12.0 𝑚 𝑠 =343 𝑚 𝑠 ; Apskaičiuojame garso bangos ilgį:  = 𝑣 𝑓 ;  = 343 𝑚/𝑠 20000 𝑠/1 = 0.01715 m ≈0.02 𝑚; Atsakymas:  = 0.02 𝑚;

12. Uždavinių sprendimo pavyzdžiai 3 uždavinys. Medicininis ultragarsinis prietaisas generuoja akustinės bangas, kurių dažnis 2 ∙ 10 7 z. Koks yra šio dažnio bangų ilgis ore prie 20℃ temperatūros? Duota: 𝑓=2∙ 10 7 z;𝑇=20℃; Rasti: ,𝑚; Sprendimas: Garso bangos greitis ore priklausomai nuo oro temperatūros apskaičiuojamas pagal formulę: 𝑣=331.4 𝑚 𝑠 + 0.6 𝑚/𝑠 ℃  𝑇 ℃ ; 𝑣=331.4 𝑚 𝑠 +12.0 𝑚 𝑠 =343 𝑚 𝑠 ; Apskaičiuojame garso bangos ilgį:  = 𝑣 𝑓 ;  = 343 𝑚/𝑠 2∙ 10 7 𝑠/1 = 1,1715∙ 10 −5 m; Atsakymas:  =1,1715∙ 10 −5 m;

12. Uždavinių sprendimo pavyzdžiai 4 uždavinys. Atviroje aikštėje stovintis žmogus šūkteli priešais stovinčio didelio pastato kryptimi. Po 0.5 s pasigirsta aidas. Koks atstumas yra iki pastato, jei oro temperatūra yra 20℃ ? Duota: 𝑡=0.5𝑠;𝑇=20℃; Rasti: s,𝑚 ; Sprendimas: Garso bangos greitis ore priklausomai nuo oro temperatūros apskaičiuojamas pagal formulę: 𝑣=331.4 𝑚 𝑠 + 0.6 𝑚/𝑠 ℃  𝑇 ℃ ; 𝑣=331.4 𝑚 𝑠 +12.0 𝑚 𝑠 =343 𝑚 𝑠 ; Apskaičiuojame atstumą, kurį nueina banga nuo žmogaus iki pastato ir grįžta atgal: 𝑣= 𝑠 𝑡 ; 𝑠=𝑣∙𝑡=343 𝑚 𝑠 ∙0.5𝑠=171.5 𝑚; Atstumas iki pastato yra lygus pusei garso bangos nueito kelio: 𝑠 2 = 171.5𝑚 2 =85.75 m; Atsakymas: 𝑎𝑡𝑠𝑡𝑢𝑚𝑎𝑠 𝑖𝑘𝑖 𝑝𝑎𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑦𝑟𝑎 85.75 m;

12. Uždavinių sprendimo pavyzdžiai 5 uždavinys. Jūrinio žvejybinio laivo sonaro siunčiamas signalas atsispindėjęs nuo jūros dugno sugrįžta po 1.75s. Koks jūros gylis yra toje vietoje, kur plaukia laivas, jeigu akustinių bangų sklidimo greitis jūros vandenyje yra 1530 m/s? Duota: 𝑡=1.75𝑠;𝑣=1530𝑚/𝑠; Rasti: s, 𝑚 ; Sprendimas: Apskaičiuojame atstumą, kurį nueina banga nuo laivo iki jūros dugno ir grįžta atgal: 𝑣= 𝑠 𝑡 ; 𝑠=𝑣∙𝑡=1530 𝑚 𝑠 ∙1.75𝑠=2677.5 𝑚; Jūros gylis yra lygus pusei akustinės bangos nueito kelio: 𝑠 2 = 2677.5 𝑚 2 =1338.75m; Atsakymas: jūros gylis yra 1338.75m;

13. Testas √ √ √ Ką nagrinėja akustikos mokslas? instrumentų sandarą garso reiškinius pastatų šiluminį laidumą 2. Kas yra garso bangos: materialioje terpėje sklindantys dalelių sutankėjimai ir praretėjimai erdvėje sklindantys elektromagnetiniai virpesiai šiluminės bangos 3. Kas yra ultragarsas? akustinės bangos, kurių dažnis mažesnis nei 16 Hz akustinės bangos, kurių dažnis didesnis nei 20 Hz akustinės bangos, kurių dažnis didesnis nei 20 kHz √ √ √

13. Testas √ √ √ 4. Kokiais kūnais garsas keliauja greičiausiai? skysčiais kietaisiais kūnais dujomis 5. Kam laive naudojamas sonaras? ryšiui su kitais laivais užmegzti atstumui iki kranto matuoti žuvų būriams aptikti, gyliui nustatyti 6. Kokio dažnio garso bangų negirdi žmogus? virš 20Hz žemiau 20kHz iki 16Hz ir virš 20kHz √ √ √

13. Testas √ √ √ 7. Koks dydis apibūdina garso pojūtį? garso tonas garso lygis garso tembras 8. Koks yra garso lygio matavimo vienetas? belas decimetras kilometras 9. Kas yra aidas? aplenkęs kliūtį garsas nuslopintas garsas nuo kliūties atsispindėjęs garsas √ √ √

13. Testas √ 10. Kada pasireiškia akustinis rezonansas? kai akustinės bangos dažnis yra didesnis už kūno sąvajį svyravimų dažnį kai akustinės bangos dažnis sutampa su kūno sąvuoju svyravimų dažniu kai akustinės bangos dažnis yra mažesnis už kūno sąvajį svyravimų dažnį √

14. Naudota literatūra Keith Johnson. Fizika tau. Vadovėlis 9 klasei. Vilnius: Alma littera, 2009. Aušra Kynienė, Jolanta Gutauskaitė, Žana Kovaliūnienė, Petras Lozda, Rimantas Rozga, Edvardas Baleišis. Spektras. Fizikos vadovėlis 8 klasei, II dalis. Vilnius: Briedis, 2006. Vladas Valentinavičius. Fizikos vadovėlis 8 klasei. Kaunas: Šviesa, 2004. Prof. Stanislovas Štaras. Akustinės bangos - VGTU Elektronikos fakultetas Lietuvos žinios. Denisas Nikitenka „Juodkrantėje vilioja unikali garsų gaudyklė“ 2016-08-17 http://lzinios.lt/lzinios/Gimtasis-krastas/juodkranteje-vilioja-unikali-garsu-gaudykle/227864 The Physics Hypertextbook. The Nature of Sound. http://physics.info/sound/ Physics Classroom – Home. Natural frequency. http://www.physicsclassroom.com/class/sound/Lesson-4/Natural-Frequency Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations. Acoustic Horn. http://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/acoustic-horn Physical sciences. Acoustic waves. http://highered.mheducation.com/sites/0072509783/student_view0/chapter5/parallel_exercises_a.html Physics Classroom – The speed of sound. http://www.physicsclassroom.com/class/sound/Lesson-2/The-Speed-of-Sound Refraction of sound waves & acoustic shadows explained. https://www.thermaxxjackets.com/sound-wave-refraction-acoustic-shadows/ Hyperphysics. Diffraction of Sound. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Sound/diffrac.html Audiojudgement. Folded horn speaker design – explanation and calculator. http://audiojudgement.com/folded-horn-speaker-design/