1 Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ Imię i nazwisko ucznia 1 Wojciech Mętel Imię i nazwisko ucznia 2 Aleksander Rek Numer grupy / numer zespołu Nazwa i adres szkoły Imię i nazwisko nauczyciela 312/G/NYS/OPO_ZES_NR_1 Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej w Nysie ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa Beata Krzan Tytuł pokazu Co tłumi dźwięk? Dział fizyki Akustyka Potrzebne materiały do doświadczeń Pudło prostopadłościenne wykonane z płyty wiórowej (płyta MDF/wiórowa), generator akustyczny (ewentualnie wzmacniacz mocy + rezystor 47 Ω), niewielki głośnik np. 2,5, 8 Ω, gąbka, wełna mineralna, wata, kabel łączący generator z głośnikiem (rys. 1.) Koszt materiałów do doświadczeń w zależności od tego, co można znaleźć w gospodarstwie domowym: do 30-40 zł. Wykorzystane eksperymenty nie więcej niż trzy połączone tematycznie Nazwa / tytuł Badanie tłumienia fali akustycznej o różnych częstotliwościach przez wybrane materiały: 1. gąbkę 2. wełnę mineralną 3. watę szklaną
2 1. Cele przeprowadzenia doświadczeń: Zbadanie, które częstotliwości są skutecznie tłumione przez jakie materiały oraz jak gęstość materiału wpływa na poziom dźwiękochłonności. 2. Opis wykonania doświadczeń: Budujemy z desek (płyty wiórowej) prostopadłościan, w jednej z jego ścian bocznych wykonujemy otwór, na tyle duży by móc zamontować we wnętrzu głośnik. Wykorzystałem posiadaną już wcześniej kolumnę głośnikową wykonaną z płyty wiórowej (rys. 2). Na jednym końcu prostopadłościanu należy umieścić głośnik (niezbyt duży, mój ma 2,5, 8 Ω (rys. 5.), a w w otworze wykonanym w przeciwległej ścianie, będziemy umieszczać kolejne próbki materiałów tłumiących (rys.6). Podłączamy głośnik do generatora. Generator ma rezystancję wyjściową Rl 40Ω, a głośnik 8Ω, więc aby nie uszkodzić generatora zastosowałem rezystor 47Ω 5W. Jest on zamocowany na radiatorze w celu chłodzenia nagrzewa się do nawet dwustu stopni Celsjusza. Na górnej płycie znajdują się również gniazda chinch / RCA, jedno dla oporności 50Ω, a drugie dla 8Ω przydatne, gdy używamy wzmacniacza mocy. Włączamy generator do sieci. Potencjometrem f częstotliwość ustawiamy dźwięk na najniższy słyszalny poziom kilkadziesiąt Hz dla fali sinusoidalnej. Zatykamy otwór kolejno: watą, potem gąbką, na końcu: wełną mineralną. Nasze ucho rejestruje największe tłumienie przy otworze tłumionym wełną. Przełączamy zakres generatora na falę trójkątną (ew. prostokątną) i sprawdzamy tłumienie dla częstotliwości 1 khz, 4kHz, i 16 khz. W tych zakresach częstotliwości wełna nadal wykazuje najlepsze własności tłumiące. Po dłuższym czasie czujemy ręką, że jej temperatura wzrosła (wełna się nagrzała). 3. Zdjęcia, rysunki do opisu wykonania doświadczeń (nie więcej niż 6 szt. o zmniejszonej rozdzielczości): rys.1 rys.2
3 rys.3 rys.4 rys.5 rys.6 4. Wyjaśnienie teoretyczne: Rys. 3. obrazuje przeprowadzone badanie dźwiękochłonności. Wzrost temperatury w wełnie mineralnej dłuższy czas eksponowanej na działanie dźwięku spowodowany jest tym, że wełna ma gęsto rozmieszczone włókna, a więc fala dźwiękowa poruszając nimi, powoduje zamianę energii drgań powietrzu w ciepło (tarcie). W wacie, ani w gąbce nie zachodzi takie zjawisko. Przyczyną wrażeń dźwiękowych u ludzi i zwierząt jest oddziaływanie na ich organy słuchu fal sprężystych, rozchodzących się powietrzu lub innym ośrodku sprężystym pod wpływem drgań mechanicznych jakiegokolwiek ciała (źródła dźwięku) np. membrany głośnika, pudło skrzypiec. Zmieniając częstotliwość dźwięku można się przekonać, o tym, że człowiek z normalnym słuchem jest zdolny przyjmować w postaci dźwięku tylko fale sprężyste, których częstotliwości zawierają się w granicach 16-20000 Hz. W akustyce fizjologicznej w celu scharakteryzowania wrażeń dźwiękowych stosuje się pojęcia: wysokość, barwa i głośność dźwięku. Wysokość dźwięku to subiektywna cecha określająca wrażenia słuchowe, jakie powstaje pod wpływem fali dźwiękowej o określonej częstotliwości i umożliwiająca porządkowanie dźwięków do niskich do wysokich lub odwrotnie.
4 W miarę zwiększania się częstości dźwięku rośnie jego wysokość. Barwa dźwięku to subiektywna cecha dźwięku umożliwiająca słuchaczowi rozróżnienie dźwięków o tej samej głośności i wysokości lecz różniących się widmem - pochodzących z różnych źródeł np. dźwięk dwóch instrumentów. Głośność dźwięku jest wielkością subiektywną i umożliwia ocenę intensywności wrażenia słuchowego czyli porządkowanie dźwięków od cichych do głośnych. Zależy nie tylko od tzw. ciśnienia akustycznego, ale i od czułości ucha, która jest różna dla dźwięków o różnym natężeniu. Jeśli ciśnienie akustyczne jest mniejsze od tzw. progu słyszalności, to dźwięk ten nie będzie słyszalny. Dostatecznie silne dźwięki przestają być odbierane przez ucho jako dźwięki i wywołują uczucie bólu. Próg wrażenia bólu zależy też od częstości dźwięku. Stąd też, w warunkach ekspozycji człowieka na głośny dźwięk, należy chronić ucho ludzkie stosując różne dźwiękochłonne zabezpieczenia. 5. Zastosowanie praktyczne prezentowanego zjawiska: Hałas staje się w ostatnim czasie jednym z największych zagrożeń dla naturalnego środowiska człowieka. W ogromnym stopniu są na niego narażeni ludzie w budynkach mieszkalnych w dużych, ale także i w małych miastach. Około 60% ludzi skarży się dziś na hałas, twierdząc, że w sposób znaczący zakłóca ich życie. Nierzadko dochodzi do ciężkich uszczerbków na zdrowiu w efekcie długotrwałej ekspozycji na jego działanie. Stąd tak ważne jest projektowanie i realizacja budynków mieszkalnych z uwzględnieniem konieczności poprawy jakości w nich życia - z zapewnieniem Izolacji akustycznej takich elementów, jak podłogi, stropy i ściany, co pozwala chronić ludzi przed niebezpiecznym wpływem hałasu zewnętrznego. To jedno z najważniejszych zadań współczesnego budownictwa. Z punktu widzenia przydatności do izolacji akustycznej pomieszczeń i tłumienia dźwięków uderzeniowych rozróżnia się podstawowe i pomocnicze materiały do budowy przegród i ustrojów izolacyjnych: podstawowym to materiał z którego samodzielnie może być wykonana przegroda o dobrych właściwościach akustycznych (np. beton, cegła); pomocniczy to taki materiał, który pojedynczo nie nadaje się do wykonania przegród o dobrych właściwościach akustycznych ale zadanie to spełnia w połączeniu z innymi materiałami (np. akustyczny styropian podłogowy). Podstawowymi parametrami charakteryzującymi materiały tłumiące do izolacji akustycznej jest sztywność dynamiczna, której jednostką jest N/cm3 lub MN/m3, tłumienie wewnętrzne, porowatość, oporność przepływu powietrza. Przy projektowaniu i realizacji ochrony przeciwhałasowej obiektów nie rozpatruje się właściwości izolacyjnych materiałów, lecz izolacyjność akustyczną przegród wykonanych z tych materiałów. Izolacyjność akustyczna przegrody charakteryzuje odporność na przenikanie przez nią energii fal dźwiękowych. Istnieją ekrany dźwiękochłonne w kształcie mat pokrytych ostrosłupami o podstawie kwadratu- są one wykorzystywane w komorach bezechowych (pomieszczeniach do badań głośników, kolumn, wzmacniaczy etc. ) W słuchawkach wykorzystywane są materiały izolujące słuchacza od dźwięków zewnętrznych i zapewniające mu lepsza słyszalność dźwięku odtwarzanego. Wygłuszenia stosuje się do różnych maszyn i urządzeń, np: silników, turbin, przenośników, młotów, pił, klimatyzatorów; wentylatorów, parowników, transformatorów, całych linii produkcyjnych. Wzdłuż tras komunikacyjnych istnieją ekrany dźwiękochłonne. Dotyczy to autostrad, torów kolejowych, tuneli, wiaduktów. 6. Literatura, źródła dodatkowej informacji na temat prezentowanych zjawisk, zagadnień
5 A. Witort Elektroakustyka dla wszystkich R. Gabor Dobór materiałów na ekrany dźwiękochłonne Kurs fizyki Procesy falowe, optyka, fizyka atomowa i jądrowa - B. Jaworski, A. Dietłaf T 3, PWN, Warszawa 1981 Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich FIZYKA Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Instytut Wydawniczy PAX 1994 www.tremolo.pl 7. Potwierdzenie nauczyciela Potwierdzam, że praca jest autentyczna i samodzielnie wykonana przez zespół uczniów. Imię i nazwisko nauczyciela. Beata Krzan.