Дослідження залежності інтенсивності шуму від відстані до джерела

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Ознайомитися з будовою та дією вимірника шуму (шумоміра).
  3. Установити експериментальну залежність інтенсивності шуму від відстані до випромінювача.
  4. Порівняти експериментальну залежність із теоретичним передбаченням.

Обладнання:

динамічний трек, бездротовий випромінювач звуку, вимірювач інтенсивності шуму (шумомір), вимірювач напруги, реєстратор відстані, АЦП, підйомний столик, ПК.

Теоретична частина

 Слуховий апарат людини влаштований так, що зміна сили звуку не сприймається як лінійна зміна гучності. Збільшення гучності вдвічі відповідає збільшенню сили звуку в сто разів. Така залежність називається логарифмічною. Через це гучність звуку прийнято вимірювати в логарифмічних одиницях – белах (Б). На практиці частіше застосовується децибел (дБ) – десята частина бела. Мінімальний перепад рівня, який здатне сприйняти наше вухо, дорівнює одному децибелу. Значення рівня звуку і суб’єктивно чутної гучності збігаються тільки на частоті 1000 Гц.

Шум, або акустичний шум – це звукова хвиля, що сприймається органами слуху людини як подразливі сигнали. З точки зору акустики, шум – це випадкові акустичні коливання, що характеризуються випадковою зміною амплітуди і частоти.

Прилад для вимірювання шуму називається шумоміром. Це прилад для об’єктивного вимірювання рівня звуку. Шумомір має вигляд мікрофона, до якого підключений вольтметр, проградуйований у децибелах. Збільшення рівня звукового тиску, що впливає на мембрану мікрофона, викликає приріст напруги електричного струму на вході у вольтметр. Це відображається на індикаторі.

Для вимірювання рівнів звукового тиску в контрольованих смугах частотного діапазону сигнал після виходу з мікрофону пропускають через відповідні електричні фільтри. Оскільки чутливість вуха залежить від інтенсивності і частоти звуку, в шумомірі використовуються комплекти електричних фільтрів, які дають змогу імітувати характеристики вуха за заданої потужності звуку. Фільтри називають за характеристиками А, B, C, D. Фільтр А приблизно відповідає характеристикам вуха за слабких рівнів шуму. Фільтр С застосовується тільки для оцінювання максимальних рівнів шуму.

У роботі пропонується спочатку ознайомитися з шумоміром за його інструкцією з експлуатації. Запропонований шумомір дає змогу не тільки виміряти рівень шуму, а й перетворити виміряний рівень на електричний сигнал, зміну якого надалі реєструють вимірником напруги. Якщо джерело звуку наближено відповідатиме параметрам точкового джерела, інтенсивність звукової хвилі, яку ми позначимо I, буде змінюватися при віддаленні від джерела відповідно до закону обернених квадратів:

   (1),

де I0 – інтенсивність звуку поблизу самого джерела, R – відстань від джерела.

Сутність експериментального дослідження полягатиме саме у встановленні характеру закону, що описує зміну інтенсивності при зміні відстані до джерела. Для реєстрації інтенсивності звуку використовується шумомір із виходом напруги і вимірник напруги, з’єднаний із шумоміром. Вимірник напруги здійснює неперервний запис значення напруги протягом періоду часу, коли джерело звуку наближається до шумоміра. Як джерело звуку обрано бездротовий випромінювач (Bluetooth-колонка). На випромінювач звуку подається звуковий сигнал із ПК у вигляді білого шуму, інтенсивність якого можна регулювати. Випромінювач звуку встановлюється на рухомій каретці динамічної системи. На цій самій каретці закріплено транспарант для відбивання сигналу ультразвукового реєстратора відстані. Динамічна система встановлюється так, щоб під дією складової сили тяжіння каретка повільно рухалася в напрямку шумоміра. Реєстратор відстані фіксує відстань до джерела звуку, а шумомір – рівень інтенсивності шуму. Надалі інструментами програмного забезпечення будується графік залежності рівня шуму від відстані, і накладанням інтерполяційної кривої встановлюється математичний характер цієї залежності.

Хід роботи

  1. Ознайомтеся з інструкцією з експлуатації вимірника шуму та спробуйте виміряти природні шуми з фільтрами А та С.
  2. Установіть діапазон вимірювання шуму 30–120 дБ і фільтр А. Приєднайте до шумоміра вимірник напруги. З’єднайте вимірник напруги з АЦП, а його, у свою чергу, з ПК.
  3. Увімкніть бездротовий випромінювач звуку та з’єднайте його з ПК по Bluetooth-каналу.
  4. Запустіть програму для генерації «білого шуму» та досягніть відтворення шуму на бездротовому випромінювачі. Вимкніть програму.
  5. Установіть на столі динамічний трек і приєднайте до каретки транспарант. Закріпіть на динамічному треку вимірник відстані. З’єднайте вимірник відстані з АЦП.
  6. Установіть на трек каретку і регуляторами нахилу доберіть положення треку, за якого каретка буде повільно рухатися вздовж нього.
  7. Установіть наприкінці треку підіймальний столик та розташуйте на ньому шумомір так, щоб вимірювальний мікрофон був спрямований на каретку.
  8. Установіть на каретці бездротовий випромінювач звуку.
  9. Здійсніть пробний запуск каретки і перевірте, що випромінювач не падає з каретки при її зупинці.
  10. Запустіть програмне забезпечення для ЦВК і налаштуйте частоту замірів 10 замірів на секунду. Час замірів доберіть так, щоб за цей час каретка встигала пройти весь трек.
  11. Запустіть програму для відтворення «білого шуму» і доберіть гучність генератора так, щоб у найбільш віддаленому положенні шумомір фіксував шум не менший за 70 дБ.
  12. Увімкніть запис даних і вільно відпустіть каретку. Здійсніть декілька запусків із збереженням отриманих даних.

Аналіз даних

  1. Відкрийте графіки зміни напруги та відстані. Використовуючи інструменти програми, здійсніть усереднення отриманих даних для обох графіків. Для цього встановіть на графіку курсор та оберіть кнопку для згладжування графіка.
  2. Оберіть кнопку налаштування графіка і встановіть горизонтальну вісь як «Середнє значення відстані», а вертикальну вісь – як «Середнє значення напруги».
  3. В отриманий графік впишіть поліном другого порядку, обравши вкладинку «Функції» – «Апроксимація кривою».
  4. Проаналізуйте отриманий результат та сформулюйте висновок до роботи.