В данной работе представлены результаты исследований влияния рупора на распространения звука. Выполнялась задача вовлечения студентов СПО в научно-проектную деятельность: планирование и организация научных экспериментов, обработка и оформление результатов проведенных исследований.
Ключевые слова: звук, рупор, шумомер, громкость, закон обратных квадратов, метод наименьших квадратов, MathCAD.
Ранее студентами Института Транспорта и Сервиса (г. Сочи) были выполнены комплексные исследования закономерностей распространения звука и влияние на этот процесс сред и ограждающих конструкций [1]. Было также показано, что звуковые волны, наряду с другими возмущениями, распространяющимися в пространстве, подчиняются закону обратных квадратов [2]. Данная работа, являясь продолжением этих работ, содержит результаты исследования влияния рупора на излучение и распространение звуковых колебаний.
Рупор (нидерл. roepen — кричать ) — переговорная труба (как правило, в форме усеченного конуса), предназначенная для направленного передачи звука (например, голоса или автомобильного сигнала). С помощью этого нехитрого устройства возможно: усиление звуковой отдачи какого-либо источника; концентрация звукового излучения в области некоторого ограниченного телесного угла; усиление звука, приходящего от далекого источника, посредством концентрации звука от широкого конца к узкому.
Методы
Приборы и инструменты: источник звука — смартфон; приемник (измеритель) — шумомер Benetech GM1351 (определяет громкость звука в децибелах); рулетка; рупор с сечением близким к прямоугольному (рис. 1).
Рис. 1. Рупор (вид с широкого конца, в перспективе, размеры в см)
Для обработки результатов экспериментов (построение графиков, расчёт углового коэффициента и свободный члена в линеаризованных зависимостях методом наименьших квадратов) использовался математический пакет MathCAD.
Зависимость громкости от расстояния до источника
Раздел содержит результаты исследования зависимости громкости звука от расстояния между источником и приёмником звука с использованием рупора и без оного. Рупор был изготовлен из картонной бумаги (см. фото на рис. 2).
Рис. 2. Фотография эксперимента
В экспериментах источник звука устанавливался на срезе узкой части рупора, а измерение расстояния производилось от среза широкой части. Представлены три серии измерений. Первая — без использования рупора (расстояние измерялось от источника до шумомера). Вторая — с рупором (измерения на оси рупора). Третья — с рупором (измерения с отклонением ~20 0 от оси рупора (рис. 3)).
Рис. 3. Схема эксперимента по исследованию зависимости громкости звука от расстояния (при угловом смещении): 1 — рупор, 2 — микрофон (шумомер)
Таблица 1
Результаты измерений
|
№ измерения |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Расстояние L , см |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
Уровень звука, дБ (без рупора) |
81.4 |
75.2 |
74.2 |
73.2 |
72.9 |
69.7 |
69.4 |
69.1 |
68.3 |
67.2 |
|
Уровень звука, дБ (на оси рупора) |
92.4 |
83.5 |
82.8 |
80.3 |
78.9 |
78.7 |
77.6 |
75.7 |
75.7 |
74.5 |
|
Уровень звука, дБ (при угловом смещении от оси рупора, ~20 0 ) |
82.3 |
81 |
80.9 |
78.5 |
79.1 |
77.4 |
77.2 |
76.5 |
75.8 |
76 |
График зависимости громкости звука от расстояния представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Зависимость громкости звука от расстояния: 1 — на оси рупора; 2 — с рупором при угловом смещении; 3 — без рупора
Можно видеть (рис.4), что характер уменьшения громкости звука при увеличении дистанции от источника нелинейный. Полагая, что зависимость подчиняется закону обратных квадратов [1, 2], проведем ее линеаризацию. Методика линеаризации приведена в работе [1]. Полученные значения углового коэффициента и свободного члена для трех представленных серий экспериментов произведены методом наименьших квадратов и приведены в таблице 2.
Таблица 3
Коэффициенты в уравнении линеаризованной зависимости
|
Серия измерений |
Угловой коэффициент |
Свободный член |
|
1 — на оси рупора |
8,11 |
106,87 |
|
2- с рупором при угловом смещении |
3,47 |
89,95 |
|
3- без рупора |
6,56 |
93,79 |
Графики линериаризованной зависимости громкости звука от расстояния в координатах «громкость—
Рис. 5. Линеаризованный график зависимости громкости звука от расстояния: 1 — на оси рупора; 2 — с рупором при угловом смещении; 3 — без рупора
Заключение
В ходе выполнения данной работы один из авторов (студент) научился:
- планировать, организовывать и выполнять физический эксперименты;
- использовать метод наименьших квадратов при линеаризации функциональных зависимостей;
- оформлять результаты научной работы в виде научной статьи.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
- Распространение звуковых колебаний в воздухе согласовано с законом обратных квадратов (рис. 5).
- Применение рупора заметно увеличивает громкость звука на его оси и при небольших отклонениях от нее (рис. 4 и 5).
- При небольших расстояниях от рупора в точках, находящихся в стороне от его оси громкость звука несколько ниже, чем на его оси (рис. 4 и 5). Дальнейшее увеличение расстояния (≥50 см) приводит практически к выравниванию уровней громкости на оси и в направлении, имеющем от нее небольшое угловое смещение (рис. 4 и 5).
Литература:
- Кириллов А. М., Култышев А. Д., Григорьев. В. Ю. Распространение звука и звукоизоляция // Молодой ученый. — 2023. — № 3 (450). С. 1–8.
- Кириллов А. М., Култышев А. Д., Григорьев. В. Ю. Закон обратных квадратов: теория и эксперимент // Молодой ученый. — 2023. — № 8 (455). С. 5–11.
