Как можно увидеть звук
Люди и животные живут в мире звуков, поэтому меня всегда интересовала эта тема. Звук является определенным и очень важным источником информации. Порой звуки предостерегают об опасности, а также бывают в виде музыки, пения птиц, шума моря и доставляют нам удовольствие.
Таким образом, я задумался о том, что если звук можно измерить и он распространяется в виде волновых колебаний, то, возможно, есть способ его увидеть. Итак, как же возможно увидеть невидимое и неосязаемое? С этим интересным вопросом я обратился к родителям, учителю, одноклассникам. Изучил много информации в интернете и научной литературе.
Как оказалось такой способ есть!
Гипотеза: если в физике можно многое увидеть, измерить и объяснить, то смогу ли я не только услышать звук, но и увидеть его?
Цель исследования: выяснить, можно ли увидеть звук.
1. Опытным путем получить звуковую картину различной музыки.
2. Продемонстрировать одноклассникам способ получения изображения звука.
3.Изучить литературу и информацию из сети интернет.
Актуальность работы заключается в том, что многие одноклассники не представляют, что звук можно не только услышать, но и увидеть. Кроме того, обучающиеся уже в первом классе могут знакомится с первоначальными сведениями по физике, и я могу помочь ребятам в этом.
Практическая значимость. Мы не можем представить нашу жизнь без звуков. С помощью звуков происходит общение и получение информации. А так как звук распространяется в виде волн (звуковых колебаний) с разной скоростью и громкостью, то становится интересным глубже изучить эту тему и увидеть этот занимательный процесс.
6. Фартук, шапочка, перчатки;
8. Компьютер, как источник музыки.
1.1.Что мы знаем о звуке?
Звуки начали изучать еще в далекой древности. Первые наблюдения по акустике были проведены в VI веке до н.э. Пифагором. Аристотель первый правильно объяснил как распространяется звук в воздухе. Знаменитый физик Исаак Ньютон открыл, что звук распространяется в виде звуковых волн.
Итак, какая же природа у звука?
Все звуки, распространяемые в воздухе, представляют собой вибрации звуковой волны. Она возникает посредством колебания объекта и расходится от её источника во всех направлениях.
Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком. Какие предметы могут создать звуковые волны? Источники звуковых волн могут быть естественные (шум листьев, моря, пение птиц) и искусственные ( колокол, струны гитары). Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Для настройки музыкальных предметов, был изобретен камертон. Этот прибор способен издавать звук одной частоты.
Уровень звука принято измерять в децибелах, что составляет десятую часть Белла. Бел назван в честь американского ученого Александра Белла.
Интересен факт, что звук не может распространяться в пространстве, где нет вещества, например в вакууме. В космосе на больших пустых участках между звездами и планетами, молекул нет, поэтому звука в космосе не существует. Но с помощью специальных инструментов шум космоса можно услышать.
1.2. Неньютоновская и ньютоновская жидкости.
Разберемся, почему они имеют такие названия. Исааком Ньютоном был создан закон вязкого трения жидкостей. В конце XVII века ученый обратил внимание, что быстро грести вёслами гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. Он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на неё. Следовательно, ньютоновская жидкость это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона. А неньютоновская жидкость та, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. К ним можно отнести масляные краски, зубную пасту.Чем сильнее воздействовать на обычную жидкость, тем быстрее она станет менять свою форму. Но вот если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, то данная жидкость станет вести совсем иным образом, она станет проявлять свойства твердого вещества. «Связь между атомами и молекулами в данной жидкости будет укрепляться с увеличением силы воздействия на эту жидкость.
Ярким примером неньютоновской жидкости является «Зыбучий песок».
1.3. Исследование «Я вижу звук».
Для проведения данного исследования мне необходимо приготовить неньютоновскую жидкость из воды и крахмала и «оживить» ее при помощи звука.
Ход исследования заключался в следующем:
Приготовили все необходимые инструменты, посуду и приборы, а также ингредиенты для приготовления жидкости (приложение № 1).
Готовим неньютоновскую жидкость из крахмала и воды (приложения № 2, 3, 4, 5). Добавляем в нее пищевой краситель для цвета (приложение № 5). Перемешиваем до однородности (приложение № 7). Неньютоновская жидкость готова (приложение № 8).
Переворачиваем колонку динамиком вверх и покрываем пищевой пленкой (приложение № 9).
Выливаем неньютоновскую жидкость на динамик (приложение № 10).
Для своего эксперимента я выбрал три музыкальных произведения разных стилей с целью получения различных изображений звуков:
— П.И.Чайковский «Вальс цветов» ( приложение № 11) ;
— Барбарики «Что такое Доброта» (приложение № 12);
Наблюдаем, как неньтоновская жидкость поднимается в виде волн под музыку, образуя разные рисунки, в зависимости от звучащего произведения.
Во время звучания классической музыки П.И. Чайковского рисунок получается красивым, грациозным, утонченным, похожим на цветок розы (приложение № 11).
При звучании детской песенки изображение вышло игривым и милым. Оно получилось похожим на смешного мультяшного инопланетянина, который пытается сбежать из динамика (приложение № 12).
Когда звучит рок музыка, то изображение получается хаотичным, угловатым, беспорядочным, острым (приложение № 13).
Таким образом, мне удалось, не просто поймать изображение звука, но и запечатлеть разнообразные картины, в зависимости от воспроизводимой из динамика музыки. Каждый рисунок получился по-своему интересным и занимательным.
Моё исследование носило практический характер. Я познакомился с историей звука, узнал, что существуют такие жидкости как ньютоновская и неньютоновская, изучил интересный процесс «оживления» звуком.
Когда мы включаем колонку, на которой лежит неньютоновская жидкость, мембрана начинает быстро вибрировать, то есть «ударять» неньютоновскую жидкость. Она, подпрыгнув, затвердевает. Но ненадолго: спустя некоторое время неньютоновская жидкость перестает быть твердой, и «башенки», которые возводила наша колонка, начинают «плавиться».
Мне удалось, не просто поймать изображение звука, но и запечатлеть разнообразные картины, в зависимости от воспроизводимой из динамика музыки. Каждый рисунок получился по-своему интересным и занимательным. Так я не только услышал, но и увидел звуки!
Клюкин И. И. Удивительный мир звука. – Л.: Судостроение, 1978;
Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1982;
Энциклопедический словарь юного физика /Сост. В. А. Чуянов. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Педагогика, 1991г.
Увидеть звук: применение технологии акустической голографии
В прошлой статье я рассказывала про новую технологию акустической голографии, на которой основана SVS. Сейчас мы в компании Арман успешно завершили пилотный проект, где продемонстрировали результаты работы данной технологии. Но прежде чем получить приглашение на пилотный проект мы в компании Арман прошли долгий путь. Искали области применения технологии акустической голографии. Мы собрали некоторые сценарии использования SVS.
Бесперебойная работа – важнейшее требование, предъявляемое к оборудованию. Агрегаты на предприятиях находятся в работе фактически без остановки, поэтому к ним предъявляются жесткие требования по эксплуатационной готовности.
Обнаружение и точная локализация неисправности на ранней стадии до этапа её активного проявления – основная задача.
Нам предложили провести исследование агрегата на участке.
На протяжении нескольких дней мы делали записи работы агрегата. Мы проанализировали акустические картины и обнаружили, что в работе агрегата есть отклонение.
В результате такого исследования мы с командой смогли открыть новые возможности SVS:
Шум - загрязнитель, который часто недооценивают. Существуют исследования, согласно которым не менее 2 процентов всех жертв сердечного инфаркта относятся к шуму дорожного движения. Ночью транспортный шум может нарушить здоровье, влияя на качество сна.
Поэтому установленные законодателем требования к эксплуатации технических устройств становятся все более строгими. Мало знать уровень шума, необходимо точно локализовать его, для принятия мер по его устранению.
Наши коллеги из крупнейшей железнодорожной компании позвали нас провести оценку влияния типа рельса на шумовые характеристики. Для этого нам необходимо было измерить уровень шума при применении различных материалов в конструкции рельсов.
Была построена звуковая карта. Благодаря полученному акустического слепку сделали анализ и в результате уровень шума при применении одного из типов рельс оказался ниже.
Исследование помогло обнаружить новые возможности SVS и в этом направлении:
Согласно статистике, каждый год на отечественных и зарубежных трубопроводах случаются сотни аварий, приводящих к сокращению пропускной способности, загрязнению окружающей среды и затратному, с точки зрения финансов, ремонту.
Целостность линейной части – наиважнейшая проблема эксплуатации трубопроводов, решение которой возможно благодаря систематическому контролю герметичности трубы и своевременному устранению выявленных дефектов.
Главным требованием к средствам и методам обнаружения значительных утечек является оперативность обнаружения места повреждения.
Обнаружение утечек — дело тонкое. В шумном помещение нет возможности ухом услышать утечку, а технология акустической голографии может это сделать. Нам удалось обнаружить подозрительный источник звука на одном из предприятий, где даже не подозревали о его существовании.
Исследовательская работа по теме «Можно ли увидеть звук?» (1 класс)
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №32
Можно ли увидеть звук?
Ученица 1 класса В
Кучина Виктория Александровна
Теоретические сведения о звуке……………………………………. 4
Звуковые фигуры Хладни……………………………………………. 5
Слышите, какая музыка гремит в лесу?
Так начинается сказка Виталия Бианки «Кто чем поет». Эту сказку мне прочитала мама. Мне стало интересно, как же так, такие разные существа в этой сказке и все производят звуки. Значит, у звука есть что-то похожее, что-то есть одинаковое, что же это? Я задумалась…
С 5 лет я хожу в музыкальную школу. Играю на фортепиано. Я спросила у преподавателя: «Что же такое звук? А как он образуется? Почему мы его слышим? Почему я могу отлить звуки разных инструментов на слух?
мне обьяснила, что у каждого инструмента свой голос, своя длина волны.
Мне стало удивительно, что такое длина волны? Можно ли её увидеть?
Цель: перед собой я поставила цель – провести эксперимент, позволяющий увидеть звук.
Гипотеза: мы предположили, что звук можно увидеть с помощью определенных устройств.
Во-первых, найти литературу о том, что такое звук;
Во-вторых, найти научное доказательство, что звук можно увидеть;
В-третьих, получить консультацию у учителя Физики;
В-четвертых, провести опыты самостоятельно;
В-пятых, сделать выводы на основе полученных данных.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗВУКЕ
Мы живем в океане звуков. Мир вокруг нас наполнен и даже, порою, переполнен звучаниями. Стук захлопнувшейся двери, непрерывный гул машин за окном, голоса разговаривающих людей. Это город. Это его голос. Или стрекотание сверчка, шелест листьев.… Все это звуки. Мы их слышим. Что же такое звук?
Звук — это распространение волн в газообразной среде (в данном случае), то есть в воздухе. Издавая звук, мы тем самым производим в этой среде волны, как если бы произвели волны, бросив в тихую гладь пруда камень (см. рис. 1). Точно такие же волны, как и в случае с водой, происходят в воздухе. По этой же причине, звук не распространяется в космосе, так как в космосе нет газообразной среды, и образовать волны просто негде.
Ухо человека или животного настроено таким образом, чтобы улавливать колебания воздуха, то есть те самые волны. Определённая сила и последовательность вибрации воздуха улавливаются ухом, после чего попадают в мозг, где им придаётся понятное для восприятия значение — звуки, голоса, шум, отдельные слова и так далее.
Звуки бывают особыми: более чистыми, более звонкими, обладающие определенной высотой и смысловой выразительностью – это музыкальные звуки. Издают их музыкальные инструменты или голос.
Звуковая волна в них возникает от колебания струны, металла, натянутой кожи или столба воздуха, заключенного внутри металлической или деревянной трубки.
Звуки различаются между собой по высоте; по длительности, то есть протяжённости звучания ; по тембру – специфической окраске материала, величины и формы инструмента, от способа звукоизвлечения, по динамике, то есть по силе звучания.
2. ЗВУКОВЫЕ ФИГУРЫ ХЛАДНИ
«Мне удалось найти средство, при помощи которого всевозможные виды звуков подобных тел, без примеси других, можно не только слышать, но и видеть; и потому я надеюсь сообщением об этих моих наблюдениях дать хоть несколько правильных указаний для более точного исследования этого мало разработанного отдела механики.»
Хладни Эрнст Флоренс Фридрих,
Мы получили консультацию у учителя Физики Хохриной Ольги Викторовны.
Ольга Викторовна рассказала нам, что звук – это волна, которая распространяется в среде. Именно волны мы можем представить и увидеть.
«То есть если мы возьмем, например, камертон, и по нему стукнем молоточком, то от него пойдет звуковая волна, которую мы можем представить. Либо, например, мы можем взять металлическую линейку, зажать её в тески, привести её в движение, и тоже можно представить, как волна от нее будет распространяться».
Мы решили провели 3 опыта, которые более ярко доказывают нам, что звуковую волну можно увидеть.
Но сначала проведем опыт, доказывающий, что звук – это волна.
Демонстрируем звук, издаваемый камертоном (см. рис. 4).
Берем камертон правой рукой и «запускаем» его ударом по второй фаланге указательного пальца левой руки. Подносим близко к уху. Звук громкий, далее отодвигаем дальше, звук стал тише.
Вывод: от звучащего музыкального инструмента волна распространяется во все стороны, и на расстоянии от него громкость звука уменьшается.
Помещаем на динамик колонки лизуна и включаем громкую музыку. От звуковой волны лизун подпрыгивает. Звуковые волны различной длины создают из него забавные фигуры (см. рис. 5).
Мы с моим папой сделали устройство из старого динамика, небольшого цилиндра металлической пластины (см. рис. 6 и 7). Подключаем это устройство к генератору звуковых частот. Насыпаем на металлическую пластину немного соли или мелкого песка. Запускаем звук. Наблюдаем, что происходит с солью. Меняем частоту. Мы использовали частоту от 300 до 1000 Гц.
Наливаем на колонку небольшое количество воды. Включаем громкую музыку. Наблюдаем. Получаются интересные фонтаны (см. рис. 8).
Проведя много опытов, мы смогли создать свой музыкальный инструмент. Да, он очень простой, но на нем можно сыграть мелодию.
Lamphone: новый метод «визуальной прослушки»
Все, что нужно для удаленного прослушивания разговоров в звукоизолированном помещении с помощью Lamphone — это окно и лампочка.
Не так давно мы писали о ряде придуманных Мордехаем Гури и его коллегами из Университета Бен-Гуриона методов, с помощью которых можно извлекать информацию из изолированного от Сети устройства. На конференции Black Hat USA 2020 доклад на близкую тему представил другой исследователь из того же Университета Бен-Гуриона: Бен Насси рассказал о методике визуальной прослушки, которую он и его коллеги назвали Lamphone.
О том, как работает Lamphone, поговорим чуть ниже, а начнем с краткого экскурса в историю вопроса.
Как можно увидеть звук?
Одна из хорошо известных технологий удаленной записи звука, так сказать, визуальными методами — это лазерный микрофон. Данная технология устроена довольно незамысловато.
На какой-нибудь подходящий объект (чаще всего — оконное стекло) в помещении, в котором происходит интересующий организаторов прослушки разговор, направляется невидимый человеческому глазу лазерный луч (обычно работающий в ИК-диапазоне). Луч отражается от поверхности и попадает в приемник. Звуковые волны создают вибрации на поверхности объекта, которые, в свою очередь, изменяют поведение отраженного лазерного луча. Эти изменения регистрируются приемником и в итоге преобразуются в звукозапись разговора.
Эта технология используется на практике еще со времен холодной войны и успела засветиться во множестве шпионских фильмов — вы наверняка ее видели в одном из них. Несколько компаний производят готовые устройства для лазерной прослушки, причем заявленная дальность работы достигает 500 или даже 1000 метров. Две хорошие новости: во-первых, лазерные микрофоны стоят очень дорого; во-вторых, производители (по крайней мере, по их заявлениям) продают лазерные микрофоны только правительственным агентствам.
Так или иначе, по мнению Бена Насси, у лазерного микрофона есть один серьезный недостаток: это активный метод. Для того чтобы он работал, требуется «подсветить» объект лазерным лучом — а это можно обнаружить с помощью ИК-детектора.
Несколько лет назад группа исследователей из Массачусетского технологического института предложила альтернативный метод «визуальной звукозаписи», полностью пассивный. Идея в основе та же самая: звуковые волны создают колебания поверхности предмета, которые можно визуально зарегистрировать.
Для того чтобы записывать эти колебания, исследователи использовали высокоскоростную камеру, снимающую с частотой в несколько тысяч кадров в секунду. Сравнивая полученные ею кадры — естественно, не вручную, а с помощью компьютера, — они сумели восстановить из видеоряда звук.
Впрочем, у этого метода тоже есть минус, и еще какой: для того чтобы преобразовать в звук огромное количество визуальной информации, полученной с высокоскоростной камеры, требуется нечеловеческое количество вычислительных ресурсов. На анализ пятисекундной видеозаписи с использованием достаточно мощной рабочей станции у исследователей из МТИ уходило по 2-3 часа. Так что для распознавания разговора «на лету» этот метод не очень-то подходит.
Как работает Lamphone
Бен Насси и его коллеги из Университета имени Бен-Гуриона придумали новую методику «визуальной прослушки» и назвали ее Lamphone. Основная идея метода состоит в том, что в качестве объекта, с которого снимаются вызванные звуком вибрации, исследователи решили использовать лампочку — отсюда и название техники.
Лампочка — объект максимально простой и в то же время максимально яркий. Поэтому можно не тратить вычислительные ресурсы на анализ мельчайших деталей изображения. Достаточно направить на лампочку мощный телескоп, через который световой поток с лампочки поступает на фотоэлемент.
Лампочка не вполне равномерно излучает свет в разных направлениях (что интересно, эта неравномерность неодинакова: она довольно высока у ламп накаливания и диодных ламп, но гораздо ниже у флуоресцентных). Из-за этой неравномерности вызванные звуковыми волнами вибрации лампочки немного меняют интенсивность светового потока в направлении фотоэлемента. И данные изменения вполне достаточны, чтобы их можно было уверенно зарегистрировать. Записав эти изменения и проделав некоторое количество простейших преобразований, исследователи смогли восстановить из полученной «светозаписи» звук.
В качестве финальной проверки работоспособности метода исследователи установили прослушивающий прибор на пешеходном мостике в 25 метрах от окна тестового помещения, в котором через динамик проигрывался звук. Направив телескоп на лампочку в этом помещении, исследователи записали световые колебания и смогли конвертировать их в звукозапись.
Звукозапись получилась достаточно разборчивой: к примеру, Shazam успешно определил тестовые композиции Beatles «Let It Be» и Coldplay «Clocks», а сервис распознавания речи Google правильно перевел в текст слова Дональда Трампа из его предвыборной речи.
Представляет ли Lamphone угрозу с практической точки зрения?
Бену Насси и его коллегам удалось разработать действительно работающий метод «визуальной прослушки». Что важно, этот метод является полностью пассивным, поэтому не может быть обнаружен с помощью какого-либо детектора.
Что также важно — в отличие от метода исследователей из МТИ, результаты измерений Lamphone крайне простые, так что для их перевода в звук не требуются какие-то немыслимые вычислительные ресурсы. Поэтому Lamphone может работать в режиме реального времени.
Как признает Бен Насси, в процессе эксперимента звук в тестовом помещении проигрывался на очень высокой громкости. Так что пока результаты эксперимента могут представлять скорее теоретический интерес. С другой стороны, методы преобразования «светозаписи» в звук были использованы максимально простые. Так что методика может быть дополнительно усовершенствована, например, с помощью алгоритмов машинного обучения — они неплохо решают подобные задачи.
В итоге сами исследователи оценивают целесообразность применения данной методики на практике как среднюю — но видят потенциал для повышения практичности метода при использовании более сложных методов преобразования показаний, регистрируемых фотоэлементом, в звукозапись.
Можно ли увидеть звук?
В детстве мы считали секунды, когда после удара молнии прогремит гром, нам хотелось понять где он, откуда исходит звук, ведь мы не знаем, как он «выглядит». Да и вообще, а можно ли увидеть звук? Вряд ли, но зато можно увидеть движение акустических волн. Одним из способов получения изображения с помощью акустических волн – акустическая голография.
Под голографией понимается метод получения трехмерного изображения, в основе которого — физическое явление интерференции, возникающее при столкновении двух волн, распространяющихся в одной среде. Сложение колебаний, при котором волны взаимно усиливают или ослабляют друг друга, называют интерференцией.
Этот метод был изобретен в середине XX века венгеро-британским ученым Денешем Габором (получившим за это Нобелевскую премию по физике в 1971 году). Наряду с акустикой, мы можем получить акустические голографические изображения, для этого: сначала регистрируется картина с помощью акустического приёмника. Акустический приемник состоит из решетки микрофонов и оптической камеры. Ещё одно название такого приемника – акустическая камера. Термин «акустическая камера» впервые появился в конце 19-го века, когда физиолог Дж. Р. Эвальд исследовал с помощью прибора функцию внутреннего уха. Он понял, что воздействие звуковых волн на мембрану вызывает появление на ней стоячих волн в виде фигур Хладни и решил назвать прибор акустической камерой. Так появился первый звуковой образ аудиосигнала.
Затем, сигналы с микрофонов обрабатываются и формируется представление о местоположении источника звука, полученная в результате интерференции двух звуковых волн – рассеянной предметом и опорной. По полученной записи – акустической голограмме – восстанавливается либо исходное изображение, либо структура рассеянного этим предметом поля на некотором расстоянии от него. Для получения акустических голограмм можно обойтись и без опорной акустической волны. Для микрофонов, позволяющих передать фазу сигнала, акустический опорный сигнал можно заменить электрическим, который суммируется с акустического сигналом после преобразования его в электрический.
Голограмма, таким образом, — это изображение, полученное с помощью этой технологии.
В Massachusetts Institute of Technology исследовался массив из 1020 микрофонов. В одном из экспериментов данная решетка позволила выделить речь любого из 5 человек, которые одновременно зачитывали разные тексты. В линейке продуктов компании «Армтел» появилось устройство SVS, которое может также, даже больше!
Подробно ознакомиться с нашей новейшей системой визуализации звука можно по ССЫЛКЕ!
Хотите узнать больше? Задайте вопрос нашему эксперту — Нине Мелешко! НАПИСАТЬ
Нина Мелешко
Менеджер продукта
