Исследовательская. Тема: "Говорящая веревка"

В оргкомитет районного открытого конкурса научно-исследовательских, проектных и творческих работ учащихся «Шаг в будущее» - 2017 г.

Исследовательская работа на тему:

«Говорящая верёвка»

Выполнила: Томагэ Ирина,

ученица 1 класса,

МБОУ «СОШ № 6, г. Томмота»

Руководитель: Солодухина Г.Ш.

учитель начальных классов

2017 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………………………..3 Глава I.

1. Механизм распространения звуков. Устройство мобильного

телефона …………………………………………………………………………………………………..4

1.2. Исторические сведения ………………………………………………………………………….5

1.3. Началось то всё просто…………………………………………………………………………….6

1.4. Жидкостный передатчик «liquidtransmitter» Александра Бэлла………….14

1.5. Угольный (порошковый) микрофон Дэвида Хьюиза...............................15

1.6. Угольный (порошковый) микрофон Эдисона ……………………………………….15

1.7. Динамические и конденсаторные микрофоны ……………………………………17

1.8. Как передается звук? …………………………………………………………………………….18

Глава II. Опытная работа ……………………………………………………………………………….20

2.1. Результат………………………………………………………………………………………………….21

2.2. Вывод ………………………………………………………………………………………………………21

2.3. Список используемой литературы …………………………………………………………22

Введение.

Я нахожусь в Якутии, собеседник в России. Как, через такое расстояние мой голос передаётся собеседнику практически в точности? Мой динамик записывает как-то звук, волны моего голоса телефон его как-то кодирует, этот код передаёт другому телефону, а тот воспроизводит? Как-то, так скорее всего.

Устройство мобильного телефона

Доставляем голос в мобильной сети: шаг 1 — как голос превращается в электрический сигнал.

Все мы пользуемся мобильной связью, и не задумываемся, насколько сложный путь приходится пройти нашему голосу, чтобы быть услышанным собеседником, за сотни и тысячи километров. Огромный объем задач выполняется самой простой телефонной трубкой, даже в момент ожидания вызова (когда она лежит у вас на столе), и поневоле проникаешься уважением к тем, кто все это разработал сначала в теории, а потом и воплотил в реальном оборудовании.

Начиналось-то все просто.
Первое что приходит в голову, когда мы пытаемся общаться на большом расстоянии – увеличить громкость источника звука, например с помощью рупора как на рисунке выше, и чувствительность приемника.

Однако, если необходимо передать звук между помещениями, рупоры становятся бесполезны, и пытливый инженерный ум, разработал варианты «воздухопроводов», по которым можно передать сообщение от одной точки до другой. 
Для примера – переговорные устройства, которые до сих пор можно встретить на больших кораблях: 

Все эти ухищрения, позволяют передать звуковые колебания (из которых собственно и состоит наша речь), на немного большие расстояния, чем задумано природой. Но нам требуется обеспечить передачу голоса практически на неограниченное расстояние, через любые препятствия!
Так появляется идея не передавать оригинальные звуковые волны, а провести промежуточное преобразование в другую передающую среду, которая сохранит необходимую информацию без потери данных, и позволит восстановить ее на принимающей стороне. В качестве промежуточной среды могут быть использованы различные материалы или физические явления. 
В детстве, вероятно, многие занимались изготовлением «телефонов» из подручных средств, например пара коробков и обычная нить:

При всей простоте решения, звук из одного коробка, через упругие колебания нити, отлично передается на второй, где его можно отчетливо расслышать. Однако минусов в этом решении намного больше плюсов: для передачи упругих колебаний от коробка по нити, требуется натянуть нить и обеспечить, чтобы она ни к чему не прикасалась; максимальное расстояние, на которые можно передать голос с использованием таких упругих колебаний – всего десятки метров и т.д. Все это исключает возможность использования этого, и подобных ему, преобразований, в качестве реального переговорного устройства.
Описанные выше поиски вариантов передачи голоса, приводят нас к необходимости выбора подходящей промежуточной среды, и методов качественного преобразования звуковых колебаний – в параметры новой среды и обратно. Из всего многообразия физических явлений и материалов, лучше всего соответствует данным требованиям электрический сигнал, и здесь, наконец, можно начать описание первого преобразования, которое осуществляется в современных беспроводных сетях:
Первое преобразование: Голос – Электрический сигнал

Для выполнения преобразования «Звуковые колебания – Электрический сигнал», применяется устройство названное «Микрофон», от греческого микрос – маленький, фон – звук.
Попробуем описать основные вехи в развитии технологии преобразования звука в электрический сигнал.
1. Жидкостный передатчик «liquidtransmitter» Александра Бэлла
Считается, что именно с него началась разработка преобразователей звук-электричество. Александр Бэлл проводил эксперименты в 1876 году, и даже сумел по проводам передать свой голос, на небольшое расстояние.



В рупор расположенный наверху необходимо было говорить, тонкая игла (или проволока) крепилась к нижней части диафрагмы закрепленной на рупоре, и перемещалась под воздействием звуковых колебаний. В нижней емкости находился раствор воды с небольшим количеством кислоты (для улучшения электропроводности), игла при перемещении с диафрагмой больше или меньше погружалась в жидкость, и менялось сопротивление системы, которое отслеживалось на устройстве с катушкой и магнитом. 
Недостатки решения видны невооруженным взглядом – громоздкое устройство, наличие жидкостей, низкая точность преобразования. Все это не позволило применять опытное устройство для коммерческих проектов, но начало было положено.
Пытливый читатель может попытаться воспроизвести такое устройство. Спустя несколько лет, Дэвид Хьюз представил другой вариант микрофона, в котором в качестве преобразователя звук-электричество использовался угольный стержень. Под воздействием звуковых колебаний, изменялась площадь контакта угольного стержня с металлической площадкой, и пропорционально изменялось сопротивление стержня. Это устройство уже применялось в практических целях, для реальной передачи голоса. Но наступала эра продвинутого решения на основе углерода (того же угля что применял Хьюз в своем стержне).
2. Угольный (порошковый) микрофон Дэвида Хьюиза

Спустя несколько лет, Дэвид Хьюз представил другой вариант микрофона, в котором в качестве преобразователя звук-электричество использовался угольный стержень. Под воздействием звуковых колебаний, изменялась площадь контакта угольного стержня с металлической площадкой, и пропорционально изменялось сопротивление стержня. Это устройство уже применялось в практических целях, для реальной передачи голоса. Но наступала эра продвинутого решения на основе углерода (того же угля что применял Хьюз в своем стержне).

Спустя несколько лет, Дэвид Хьюз представил другой вариант микрофона, в котором в качестве преобразователя звук-электричество использовался угольный стержень. Под воздействием звуковых колебаний, изменялась площадь контакта угольного стержня с металлической площадкой, и пропорционально изменялось сопротивление стержня. Это устройство уже применялось в практических целях, для реальной передачи голоса. Но наступала эра продвинутого решения на основе углерода (того же угля что применял Хьюз в своем стержне).

3. Угольный (порошковый) микрофон Эдисона

Первенство в разработке данного микрофона оспаривалось долго, между американскими инженерами Беллом, Берлинером и Эдисоном, есть также данные о том, что российский инженер Михальский, примерно в то же время, изготовил схожее устройство. 
Согласно общепринятой версии, изобретателем считается Эдисон, а основным разработчиком и популяризатором – лаборатория Белла (которая выкупила ранний патент Берлинера, и приняла изобретателя на работу, но затем Эдисон в суде доказал свое первенство). Принцип действия данного микрофона, основан на том, что измельченный в мелкий порошок уголь, меняет электрическое сопротивление, в зависимости от своей плотности. Таким образом – мембрана под воздействием звуковых волн меняет плотность угольного порошка, что приводит к изменению характеристик проходящего через него электрического тока. Микрофон оказался настолько удачен, что применялся с конца 19 века вплоть до начала 21, в аппаратах, где используется аналоговая передача голоса

4. Динамические и конденсаторные микрофоны
Дальнейшее развитие технологий, привело к разработке конденсаторных и динамических микрофонов, примерно в 20-30х годах 20 века. В конденсаторном микрофоне изменение параметров электрического тока, происходит за счет изменения емкости конденсатора, одна из токопроводящих пластин которого выполнена в виде мембраны, двигающейся под воздействием звуковых волн.

Как передается звук? 

Одним из чувств, используемых человеком, является слух. Весь окружающий нас мир заполнен различного рода звуками, часть из которых мы способны воспринимать. Откуда же берутся звуки?
Звук представляет собой серию сжатия и растяжения волн, которые могут перемещаться на большие расстояния. Он производится путем вибрации частиц, присутствующих в материале, через который звук «путешествует». Наличие какой-либо среды является обязательным для движения звуковых волн, т.е. в вакууме звук распространяться не может.

Существуют различные типы сред, через которые звуковые волны могут перемещаться: твердые тела, жидкости, газы, плазмы и т.д.
Скорость и физические характеристики звука в значительной степени зависят от условий окружающей среды. Частота звука - не что иное, как общее число произведенных волновых колебаний. Длина звуковых волн меняется в зависимости от частоты. Наши уши способны слышать только те звуковые волны, которые лежат в диапазоне от 20 до 20000 колебаний в секунду.
В принципе, есть три вещи, которые необходимы для передачи звука:
- источник, который может создать звук;
- среда, через которую звук может пройти (вода, воздух и т.д.);
- приемник или детектор, который принимает звук.

Когда физический объект перемещается в воздухе, он вызывает вибрацию, которая приводит к образованию серии волн сжатия в воздухе. Эти волны распространяются в виде звука. Например, музыканты при игре на гитаре придают струнам колебательные движения. Движения струн, в свою очередь, создают волны сжатия звука в окружающем воздухе. Также примером могут служить наши голосовые связки, которые, вибрируя, создают звук. Примером передачи звука через твердые тела может служить движение поезда по рельсам, через которые передаются звуковые колебания.

При комнатной температуре, звук распространяется по воздуху со скоростью 343 м/с, через воду в 1482 м/с, и через сталь в 5960 м/с. Звуковые волны в газовой среде имеют относительно медленную скорость, потому что ее молекулы слабо связаны и должны покрыть большое расстояние, чтобы столкнуться с другой молекулой. В твердой среде, атомы так плотно упакованы, что вибрация легко передается между соседними атомами, и звук распространяется довольно быстро.
Звуковые волны, достигая приемника, вызывают в нем некоторую вибрацию. Таким образом, когда звуковые волны достигают наших ушей, барабанная перепонка, расположенная внутри него, вибрирует. Эта вибрация достигает внутреннего уха и слуховых нервов. После того, как слуховой нерв берет эти вибрации, электрические сигналы передаются в мозг, где колебания признаются как звук. В результате, мы можем услышать звуки. Устройство, как микрофон может обнаружить звук. Звуковые волны создают вибрации в мембране, которая способствует изменению электрических сигналов, которые могут быть усилены, записаны и т.д.
Трудно представить современный мир без всего многообразия музыки, фильмов, общения по телефону и т.п. Все это не было бы возможно без изучения природы создания, передачи и приема звуков.

Опытная работа

Телефон позволяет людям общаться на расстоянии. В телефонном аппарате звук преобразуется в ток и передаётся. Я решила попробовать отправить звук с помощью самодельного телефона и провести такое исследование: что лучше всего передаёт звук: дерево, верёвка, леска, медная проволока или шёлковая нить, для создания своего, здоровье сберегающего телефона.

Что потребовалось: два пластиковых стаканчика, деревянный стол, длинная верёвка, шёлковая нитка, леска, медная проволока.

Предмет исследования: способность самодельного телефона передавать звук.

Объект исследования: самодельный телефон.

Гипотеза: если звук самодельного телефона позволяет общаться на короткое расстояние, то можно воспользоваться самодельным телефоном, а значит, лишний раз обойтись без мобильного телефона и сохранить здоровье.

Положим наручные часы на стол и послушаем их тиканье. Затем постепенно удаляем часы от себя настолько, чтобы перестать слышать их ход. Но прислонив ухо к столу, можно отчётливо услышать тиканье этих часов.

Затем возьмём два пластиковых стаканчика и проделаем в основании каждого по маленькому отверстию. Пропустим концы верёвки, нитки, лески, тонкой проволоки через отверстия. Закрепим концы внутри стаканов с помощью узелков. Один стакан оставляю себе. Другой - отдаю своему товарищу. Затем мы расходимся на длину верёвки, нитки, лески. проволоки. Главное условие, чтобы эти предметы были хорошо натянуты и ни к чему не прикасались. После этого, говорим шёпотом в свой стаканчик любую фразу. Товарищ держит второй стакан возле своего уха. По очереди мы говорим в свои стаканы и слушаем.

Результат.

Лучше всего друг слышит фразу при помощи лески. По очереди мы говорим в свои стаканы и слушаем. Леска отлично передаёт весь разговор.

Вывод.

Воздух хуже передаёт звук, чем дерево. Вдоль твёрдых вещей звук распространяется лучше, чем по воздуху. В воздухе слова потеряли бы всю энергию и не дошли бы до моего друга. По леске звук перемещается намного дальше, поэтому мы можем общаться, не причиняя вред своему здоровью.

Список используемой литературы:

1. «Техника молодёжи» -№ 6, М. Белинский – М., 1936 г.

2. «Передача звука» - Я.И. Пелерман – М., 2009 г.

3. «Передача электрической энергии без проводов» - Тесла Н. - М.,

4. «100 простых и увлекательных опытов для детей и родителей» - А.С. Дмитриев – М.,2015 г.

5. « 100 опытов для младших школьников дома и на даче» - Я.И. Пелерман – М., 2016 г.

6. «Энергия звука» - А.И. Китайгородский – М., 1986 г.

7. «Виды и способы передачи информации» - В. Дылейко – М., 2009 г.