Творческий проект по физике "Этот удивительный ультразвук"

Уважаемые участники конгресса и члены жюри, разрешите представить

Вашему вниманию исследовательскую работу на тему «Этот удивительный ультразвук».

Цель: создание ультразвукового дальномера (эхолота).

Задачи:

- изучить теоретические сведения о свойствах ультразвука, области применения  и принципе эхолокации;

- изучить явление пьезоэффекта;

- подобрать оборудование и детали для сборки ультразвукового дальномера,

- запрограммировать Ardyino Mega 2600- микроконтроллер , отвечающий за  измерение  расстояния на основе  программного языка Ардуино,

 - запрограммировать работу Ardyino Uno- микроконтролллер, отвечающий  за  питание на основе  программного языка Ардуино,

- разработать принципиальную схему, представляющую собой последовательность  соединения  элементов  ультразвукового  дальномера,

-  провести испытание устройства.

В науке физике, как известно, используется два основных метода исследования:

физический эксперимент и теоретический анализ.

      В этом проекте будут даны ответы на вопросы, касающиеся ультразвука. О  существовании ультразвука известно давно, но его практическое использование достаточно молодо. В настоящее  время  ультразвук  применяется в различных физических и технологических методах исследования.

       Мне стало любопытно изучить свойства ультразвука и попробовать самому изобрести прибор на основе одного из его свойств (отражаться от препятствия и возвращаться обратно), используя доступное мне оборудование и материалы.

Ультразвуком  называют механические колебания и волны в упругих средах в диапазоне частот от 20000 Гц. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой до 16 000 Гц. Колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости).

Частоты ультразвука условно подразделяют на три области: 

УЗНЧ - ультразвук низких частот – (2 ·104 – 105 Гц), 20’000-100’000

УЗСЧ - ультразвук средних частот – (105 – 107 Гц), 100’000-10’000’000

УЗВЧ – ультразвук высоких частот – (107 – 109 Гц). 10’000’000-1’000’000’000

Низкочастотные ультразвуки обладают способностью хорошо распространяться в воздушной среде. Ультразвуки высокой и средней частоты практически в воздухе не распространятся. Поэтому области использования УЗСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидким и твердым телам, а в воздухе и в газах применяют только УЗНЧ.

Применение ультразвука

В 1912 году русский инженер К. В. Шиловский изобрел прибор для предотвращения столкновений судов с айсбергами и массивными льдинами. Работа прибора основывалась на принципе подводной звуковой эхолокации.  Эхолокация  основана на отражении сигналов различной частоты радиоволн, ультразвука и звука от препятствия. Используя формулу S = t*v/2  можно определить расстояние до объекта.    На основе изученного материала и проведенной работы, был собран демонстрационный прибор - ультразвуковой дальномер (эхолот), работающий в воздушной среде.

Принцип работы эхолотов

Эхолот состоит из четырех основных элементов: передатчика (излучателя), приемника (датчика), контроллера (тран-дюсера) и экрана (дисплея).

Передатчик вырабатывает следующие через определенные интервалы времени высокочастотные импульсы. В современных эхолотах применяются частоты 50 и 200 кГц, иногда встречается частота 192 кГц. Излучаемые преобразователем звуковые сигналы распространяются в воздухе со скоростью около 340 м/сек. и отражаются от возможного препятствия . Достигшие до приемника эхо-сигналы возбуждают в нем электрические импульсы, которые затем усиливаются в контроллере и поступают в дисплей. Преобразованные результаты зондирования отображаются на экране прибора в удобной для восприятия графической или алфавитно-цифровой форме.

Преимуществами  использования таких  преобразователей в воздушной среде являются: сравнительная простота излучения и приема колебаний, компактность приемоизлучающих элементов аппаратуры, высокая устойчивость к химическому и оптическому загрязнению окружающей среды, возможность работы в агрессивных средах при высоких давлениях, длительный срок службы, простота в использовании, сравнительно малая стоимость, высокая надежность, невосприимчивость органов слуха человека к ультразвуку используемой частоты (40КГц).

Недостатки - чувствительность к:

1. перемещениям воздушных потоков  (между источником и препятствием);

2. электромагнитным помехам;

3. посторонним звукам в пределе рабочей частоты;

4. размерам измеряемого объекта

Для сборки ультразвукового дальномера (эхолота) потребовались следующие приборы и материалы:

1 LCD экран,

1 Ardyino Uno,

1 Ardyino Mega 2600,

1  LED,

1 Пьезоизлучатель,

2 Реле,

1Диод (1000 V;10 A,

1 Выключатель,

1 Куллер (12 V,0.14 mA),

4 Резистора постоянного сопротовления(40 kOм),

2 резистора переменного сопротивления(50 kOм),

1 Ионистор (5 F;5.5 V),

13 Ni – MH akb (2700 mA/h; 1.2 V),

2 Макетные платы,

1 Акустический блок,

1 Лист фанеры 20/53 см,

дрель,

отвёртка,

4 шурупа,

брусок доски 15 х 1,5 х 2,5 см,

клей ПВА.

 По окончании сборки ультразвукового дальномера (эхолота) был проведен проверочный опыт по проверке работы и точности измерения.

На уроке физике в 9 классе была произведена проверка работы ультразвукового дальномера (эхолота). Были произведены измерения расстояний от точки отсчета до различных предметов, находящихся в кабинете. При измерении были получены следующие результаты.

Вывод: полученные результаты измерения показывают, что при помощи эхолота измерения получаются  с приемлемой точностью, имея погрешность измерения ± 0,5 см.

Значимость проверочного опыта заключается в том, что учащиеся знакомятся со свойством ультразвука – отражаться от препятствия и возвращается как эхо обратно.

Заключение: В ходе  исследовательской работы были изучены  некоторые особенности,  связанные со свойствами ультразвука, приобретены  новые навыки и знания.    На основе изученного материала и проведенной работы, был собран демонстрационный прибор - ультразвуковой дальномер (эхолот), работающий в воздушной среде.

Материалы исследовательской работы можно использовать на уроках физики  и факультативных занятиях для демонстрации свойства ультразвука отражаться от преграды и возвращаться обратно, что несомненно вызывает интерес у учащихся.  Данную работу можно использовать в научной работе школьников, при изучении свойств ультразвука и принципа действия ультразвукового дальномера. Исследование свойств ультразвука  делает работу осмысленной и творческой, что  помогает глубже понять изученный материал и развивает мышление.

Уважаемые участники конгресса и члены жюри разрешите продемонстрировать Вам работу ультразвукового дальномера.

Работу окончил, готов ответить на вопросы.