Ακουστικά κύματα: πώς να φτιάξετε ένα μεγάφωνο Teach article

Μετάφραση από: τη Σεβαστή Μαλάμου (Sevasti Malamou). Εξερευνήστε την επιστήμη του ήχου και του ηλεκτρομαγνητισμού με αυτή την πρακτική δραστηριότητα κατασκεύασέ το μόνο…

Οι άνθρωποι έχουν δημιουργήσει μουσική από τους προϊστορικούς χρόνους: από το ρυθμικό χτύπημα ράβδων ή πετρών από τους πρόωρους προγόνους μας, μέχρι τη δημιουργία περίπλοκων συμφωνιών τους τελευταίους αιώνες. Σήμερα, μπορούμε να ακούσουμε μουσική ανά πάσα στιγμή και οπουδήποτε, εν μέρει χάρη στα μεγάφωνα των smartphones μας ή των mp3 players. Είναι κάτι που οι περισσότεροι μαθητές κάνουν κάθε μέρα, αλλά πόσοι καταλαβαίνουν πως λειτουργούν τα μεγάφωνα;

Αυτό το άρθρο περιγράφει τον τρόπο κατασκευής ενός μεγαφώνου χρησιμοποιώντας απλά υλικά (Capell Arques, 2011). Οι δραστηριότητες επιτρέπουν στους μαθητές να παρακολουθούν άμεσα μια ευρέως διαδεδομένη και απροσδόκητα απλή εφαρμογή της φυσικής του ήχου και του ηλεκτρομαγνητισμού με έναν διασκεδαστικό και παρακινητικό τρόπο.

Κατασκευάζοντας την δική τους εκδοχή ενός μεγαφώνου, οι μαθητές μαθαίνουν για τις κυματομορφές και τη φυσική του ήχου.  
mtmmonline/pixabay.com, CC0

Πως δουλεύει ένα μεγάφωνο; 

Ένα μεγάφωνο μετατρέπει ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε ήχο (μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε ακουστική ενέργεια) χρησιμοποιώντας δύο κύρια συστατικά: ένα μαγνήτη και ένα πηνίο καλωδίων. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει διαμέσου ενός πηνίου, παράγει ένα μαγνητικό πεδίο (όπως περιγράφεται από το νόμο επαγωγής του Faraday), μετατρέποντας το πηνίο σε ηλεκτρομαγνήτη.

Το ρεύμα που παράγεται από ένα ηχητικό σήμα δεν είναι σταθερό, ωστόσο, αλλάζει γρήγορα μεταξύ θετικών και αρνητικών τιμών. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα στο πηνίο αλλάζει κατευθύνσεις συνεχώς, όπως και η πολικότητα του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από αυτό το ρεύμα. Αν τώρα φέρουμε έναν μόνιμο μαγνήτη με ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο κοντά στο πηνίο, ο μόνιμος μαγνήτης και ο ηλεκτρομαγνήτης (πηνίο) αλληλεπιδρούν, μεταβάλλοντας ταχύτατα την έλξη και την άπωση μεταξύ τους, έχοντας σαν αποτέλεσμα κινήσεις (δονήσεις) του μαγνήτη και του πηνίου. Αυτές οι δονήσεις μεταφέρονται στον περιβάλλοντα αέρα. Όταν φτάσουν στο τύμπανό μας, ο εγκέφαλός μας ερμηνεύει τις δονήσεις σαν ήχο αν η συχνότητα βρίσκεται στην ακουστική περιοχή (μεταξύ 20 Hz και 20 kHz).

Στη διάταξη μας, χρησιμοποιούμε ένα δισκοειδή μαγνήτη νεοδυμίου, και στερεώνουμε το πηνίο και το μαγνήτη σε παλιά CD ή DVD για υποστήριξη. Όταν το πηνίο-CD τοποθετείται πάνω από το μαγνήτη-CD, και το πηνίο συνδέεται σε σήμα ήχου, το πηνίο και ο μαγνήτης αλληλεπιδρούν. Δεδομένου ότι ο μαγνήτης-CD είναι πολύ βαρύτερος από το πηνίο-CD, μπορούμε να αγνοήσουμε τη δόνηση του μαγνήτη-CD και να λάβουμε υπόψη μόνο τη δόνηση του πηνίου-CD.

The main components of the homemade loudspeaker include an audio source, wire coil, magnet and plastic cup. The coil and magnet are attached to CDs or DVDs for support.
Τα κύρια στοιχεία ενός αυτοσχέδιου μεγαφώνου περιλαμβάνουν μια πηγή ήχου, πηνίο καλωδίου, μαγνήτη και πλαστικό κύπελλο. Το πηνίο και ο μαγνήτης είναι προσαρτημένα σε CD και DVD για υποστήριξη.
Elizabeth Goiri
Audio source: Πηγή ήχου; Permanent magnet: Μόνιμος μαγνήτης; Plastic cup: Πλαστικό κύπελλο; Wire coil (electromagnet): Πηνίο καλωδίων (ηλεκτρομαγνήτης); CDs: CDs

Δραστηριότητα 1: Κατασκευάζοντας το μεγάφωνο 

Η δραστηριότητα μπορεί να πραγματοποιηθεί από μαθητές ηλικίας 14-16 και θα διαρκέσει περίπου 50 λεπτά. Προτείνουμε η εργασία να γίνεται σε ομάδες 3-4 μαθητών.

Υλικά

Για να κατασκευάσετε ένα μεγάφωνο:

  • Ένας δισκοειδής μαγνήτης νεοδυμίου, περίπου 20 mm σε διάμετρο και 10 mm σε πάχος
  • Σμαλτωμένο σύρμα χαλκού, διαμέτρου 0,2 mm και μήκους περίπου 3,5 m
  • Καλώδιο ήχου 3,5 mm, μονοφωνικό ή στερεοφωνικό (δείτε στην εικόνα 1 για να καθορίσετε τον τύπο του καλωδίου που έχετε). Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε παλιά ακουστικά. Σημειώστε ότι η διαδικασία απαιτεί κόψιμο του καλωδίου.
  • Οδοντογλυφίδα
  • Δυο παλιά CD ή DVD
  • Δύο καλώδια κροκοδειλάκια
  • Φελλός κρασιού
  • Κόλλα PVA
  • Γυαλόχαρτο ή λεπίδα κοπής
  • Ψαλίδι ή απογυμνωτής καλωδίων
  • Ταινία
  • Πλαστικό κύπελλο
  • Πηγή ήχου με υποδοχή ήχου (π.χ. υπολογιστής, mp3 player, smartphone)

Σημείωμα ασφαλείας

Προσέξτε όταν χειρίζεστε μαγνήτες νεοδυμίου για να αποφύγετε την καταστροφή ηλεκτρικού εξοπλισμού ή την παγίδευση δακτύλων μεταξύ δύο μαγνητών. Πρέπει επίσης να προσέχετε όταν απογυμνώνετε τα καλώδια ήχου με ψαλίδι ή απογυμνωτές καωδίου. 

 

Figure 1: Identify the type of cable (and the different wires it contains) by counting the number of black insulating rings on the audio jack.
Εικόνα 1: Προσδιορίστε τον τύπο καλωδίου (και τα διαφορετικά σύρματα που περιέχει) μετρώντας τον αριθμό των μαύρων μονωτικών δακτυλίων στην υποδοχή ήχου.
Elizabeth Goiri
Audio: Ήχος; Audio (left): Ήχος (αριστερά); Audio (right): Ήχος (δεξιά); Earth: Γείωση; Microphone: Μικρόφωνο; Mono audio jack: Μονοφωνική υποδοχή ήχου; Stereo audio jack: Στερεοφωνική υποδοχή ήχου; Stereo jack with microphone: Στερεοφωνική υποδοχή με μικρόφωνο

Διαδικασία

  1. Τυλίξτε περίπου 50 σπείρες χάλκινου σύρματος γύρω από το φελλό, όσο πιο πυκνά μπορείτε, κρατώντας 5-10 cm ελεύθερου σύρματος στην αρχή. Θα πρέπει να αφαιρέσετε το πηνίο από το φελλό όταν τελειώσετε, οπότε μην το σφίξετε πολύ σφιχτά. Μπορείτε να τοποθετήσετε μια οδοντογλυφίδα ανάμεσα στο φελλό και στο καλώδιο για να δημιουργήσετε κενό.
  2. Κόψτε το καλώδιο, αφήνοντας περίπου 40 cm ελεύθερο στο τέλος.
  3. Αφαιρέστε προσεκτικά το πηνίο από το φελλό. Τυλίξτε το μακρύ κομμάτι του ελεύθερου σύρματος γύρω από το πηνίο για να το προστατέψετε από το να ξεκολλήσει, αφήνοντας 5-10 cm από το σύρμα στο τέλος, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.
     

    Figure 2: The coil for the loudspeaker is created by winding copper wire around a wine cork.
    Εικόνα 2: Το πηνίο του μεγαφώνου δημιουργείται από την περιέλιξη του χάλκινου καλωδίου γύρω από το φελλό.
    Elizabeth Goiri
     

  4. Χρησιμοποιήστε γυαλόχαρτο ή λεπίδα κοπής για να αφαιρέσετε το βερνίκι από τα τελευταία 1-2 cm και από τα δύο άκρα του καλωδίου.
  5. Κολλήστε το πηνίο στο κέντρο ενός CD χρησιμοποιώντας κόλλα PVA (ο δίσκος θα χρησιμοποιηθεί ως υποστήριξη για το πηνίο).
  6. Χρησιμοποιώντας ένα ψαλίδι ή απογυμνωτή καλωδίων, κόψτε και απογυμνώστε το καλώδιο ήχου για να εμφανιστούν τα εσωτερικά καλώδια. Κανονικά τα καλώδια γείωσης είναι γυμνά καλώδια και τα καλώδια ήχου καλύπτονται από πλαστικό (εικόνα 3).
     

    Figure 3: A stripped stereo audio cable shows two audio wires and one bare earth wire.
    Εικόνα 3: Ένα απογυμνωμένο στερεοφωνικό καλώδιο ήχου εμφανίζει δύο καλώδια ήχου και ένα γυμνό καλώδιο γείωσης.
    Elizabeth Goiri
     

  7. Συνδέστε το καλώδιο ήχου στο ένα άκρο του πηνίου και το καλώδιο γείωσης στο άλλο άκρο το πηνίου χρησιμοποιώντας δύο καλώδια κροκοδειλάκια. Στην περίπτωση ενός στερεοφωνικού καλωδίου, συνδέστε μόνο ένα από τα κανάλια ήχου στο πηνίο (αριστερό ή δεξί καλώδιο ήχου) και αφήστε το άλλο αχρησιμοποίητο.
  8. Κολλήστε με κόλλα ή ταινία το δισκοειδή μαγνήτη νεοδυμίου στο κέντρο ενός δεύτερου CD (εικόνα 4).
     

    Figure 4: Using tape or glue, the magnet is fixed to a CD for support.
    Εικόνα 4: Χρησιμοποιώντας ταινία ή κόλλα, ο μαγνήτης σταθεροποιείται σε ένα CD για στήριξη.
    Antxon Anta
     

  9. Τοποθετήστε το μαγνήτη-CD σε μια επίπεδη επιφάνεια (ο μαγνήτης προς τα πάνω) και τοποθετήστε το πηνίο-CD στο πάνω μέρος (πηνίο προς τα πάνω).
  10. Συνδέστε την υποδοχή ήχου στην πηγή ήχου (εικόνα 5). Από την εμπειρία μας, ένας υπολογιστής είναι η πιο αξιόπιστη πηγή, καθώς το ρεύμα από ορισμένα smartphones μπορεί να είναι πολύ ασθενές. 
     

    Figure 5: The components of the loudspeaker, using an mp3 player for the audio source
    Εικόνα 5: Τα στοιχεία του μεγαφώνου, χρησιμοποιώντας ένα mp3 player ως πηγή ήχου
    Antxon Anta
     

  11. Παίξτε ένα τραγούδι ή αρχείο ήχου και βάλτε την ένταση στο τέρμα. Αν είναι σωστά συνδεδεμένα, θα πρέπει να ακούτε τον ήχο ελαφρά αλλά καθαρά. Ανάλογα με την ισχύ του μαγνήτη σας, μπορεί να νιώθετε το πηνίο να δονείται όταν το αγγίζετε.
  12. Για να αυξήσετε την ένταση, πιέστε το πλαστικό ποτήρι στο πηνίο.
  13. Μεταβάλετε την απόσταση μεταξύ του πηνίου και του μαγνήτη μετακινώντας τα CD. Πως αυτό επηρεάζει την ένταση και γιατί; 

Ήχοι και κυματομορφές

Η ένταση (το πλάτος της δόνησης) και ο τόνος (η συχνότητα της δόνησης) καθορίζονται από το σχήμα και τη μορφή του μεταδιδόμενου ρεύματος ως συνάρτηση του χρόνου, δηλαδή της κυματομορφής. Όλες οι πληροφορίες σχετικά με τον ήχο κωδικοποιημένες από το αρχείο ήχου περιέχονται σε αυτή την κυματομορφή. Η κυματομορφή περιγράφει ουσιαστικά τη χρονική εξάρτηση και των τριών συνιστωσών – του ηλεκτρικού ρεύματος, το επαγόμενου μαγνητικού πεδίου και τη δόνηση του πηνίου.

Ένα θαυμάσιο εργαλείο για τη μελέτη του ήχου (κυματομορφή, πλάτος, τόνος, ηχόχρωμα) είναι η χρήση του λογισμικού ήχου ανοιχτού κώδικα Audacityw1. Στην επόμενη δραστηριότητα, οι μαθητές χρησιμοποιούν αυτό το λογισμικό για να δουν την κυματομορφή του ήχου που αναπαράγεται από το αυτοσχέδιο μεγάφωνο.

Δραστηριότητα 2: Οπτικοποίηση κυματομορφών 

Από αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα πρέπει να καταλάβουν ότι η κυματομορφή που βλέπουν έχει τη μορφή του χρονικά μεταβαλλόμενου ρεύματος που μεταδίδεται από την πηγή ήχου στο πηνίο. Αυτό το ρεύμα επάγει ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο μέσω του πηνίου, πάλι με την ίδια κυματομορφή. Οι μαθητές πρέπει να εργάζονται στις ίδιες ομάδες όπως και πριν, η δραστηριότητα αυτή θα διαρκέσει περίπου 20 λεπτά.

Υλικά

  • Αυτοσχέδιο μεγάφωνο
  • Ηλεκτρονικός υπολογιστής με εγκατεστημένο το λογισμικό Audacity
  • Αρχεία ήχου της επιλογής σας 

Διαδικασία

  1. Ξεκινήστε δημιουργώντας έναν καθαρό (ημιτονοειδή) τόνο μέσω του μεγαφώνου χρησιμοποιώντας το Audacity (Μενού: Δημιουργία> Τόνος). Οι μαθητές θα δουν τον παραγόμενο ήχο στη οθόνη (εικόνα 6Α). Αναπαράξτε τον τόνο από το ηχείο.
  2. Στη συνέχεια, εισάγετε ένα αρχείο ήχου όπως ένα τραγούδι (Μενού: Αρχείο> Εισαγωγή > Ήχος).
  3. Χρησιμοποιήστε τη λειτουργία ζουμ για να δείτε ξεκάθαρα την κυματομορφή. Η εικόνα 6 δείχνει διαδοχικές εικόνες ζουμ της κυματομορφής του “The Healing Game” του Van Morrison. Αν μεγεθύνουμε αρκετά, η πραγματική κυματομορφή γίνεται ορατή.
  4. Πειραματιστείτε με το λογισμικό, εξερευνώντας διαφορές στο πλάτος και την κυματομορφή όταν σκρολάρετε το αρχείο ήχου.
  5. Το Audacity δείχνει το μέγεθος ενός επιλεγμένου χρονικού διαστήματος στο κάτω μέρος της οθόνης. Χρησιμοποιήστε αυτή τη λειτουργία για να υπολογίσετε το χρονοδιάγραμμα των δονήσεων μετρώντας το χρονικό διάστημα από κορυφή σε κορυφή.
Figure 6: A: pure 440 Hz sine wave generated by Audacity; B: entire audio clip of ‘The Healing Game’ by Van Morrison imported into Audacity; C: close-up of the red-outlined area in panel B; D: further zoom showing part of the waveform from panel C (marked in red), which corresponds to the current through the coil
Εικόνα 6: Α: καθαρό ημιτονοειδές κύμα 440 Hz που παράγεται από το Audacity, B: ολόκληρο το ηχητικό κλιπ του “The Healing Game” από τον  Van Morrison που εισήχθη στο Audacity, C: κοντινό πλάνο της κόκκινης περιοχής στο πλαίσιο Β, D: περαιτέρω ζουμ που δείχνει μέρος της κυματομορφής από το πλαίσιο C (σημειωμένο με κόκκινο), το οποίο αντιστοιχεί στο ρεύμα μέσω του πηνίου
Elizabeth Goiri

Συζήτηση

Με βάση την εμπειρία μας, οι μαθητές βρίσκουν αυτό το πρότζεκτ ως έναν απλό και διασκεδαστικό τρόπο να κατανοήσουν τη φυσική πίσω από ένα μεγάφωνο. Οι ακόλουθες ερωτήσεις μπορούν να βοηθήσουν να αξιολογήσετε πόσο καλά οι μαθητές έχουν κατανοήσει τις σχετικές έννοιες.

  • Τι είναι ένα μεγάφωνο; Ονομάστε τα κύρια στοιχεία του.
  • Τι συσκευές χρησιμοποιείτε οι οποίες όταν λειτουργούν χρησιμοποιούν ένα πηνίο και ένα μαγνήτη για παραγωγή ήχου;
  • Ποια είναι η αλληλουχία γεγονότων που έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή ήχου από ένα μεγάφωνο;
  • Ποιος είναι ο σκοπός πίεσης του πλαστικού κυπέλλου στο πηνίο;
  • Τι αποτέλεσμα έχει η αύξηση ή η μείωση της απόστασης μεταξύ των δύο CD;
  • Τι θα συνέβαινε αν μετακινούσαμε τον μόνιμο μαγνήτη που είναι στερεωμένος στο CD;
  • Τι είδους αλληλεπίδραση προκαλεί τη δόνηση του πηνίου;
  • Τι περιγράφει η κυματομορφή (όπως φαίνεται στο Audacity);
  • Πως σχετίζεται η δόνηση του περιβάλλοντος αέρα με τη δόνηση (μετατόπιση) του πηνίου;
  • Τι μπορείτε να συμπεράνετε σχετικά με το χρονοδιάγραμμα των δονήσεων από την προβολή αυτών των κυματομορφών;

Άλλες ιδέες

Το πρότζεκτ μας μπορεί να προσαρμοστεί ή να συμπληρωθεί με διάφορους τρόπους, για παράδειγμα:

  • Για παραλλαγή, κολλήστε το πηνίο στο κάτω μέρος ενός χάρτινου ή πλαστικού κυπέλλου και συνδέστε το σε μια πηγή ήχου χρησιμοποιώντας το καλώδιο ήχου. Φέρτε το άνοιγμα του κυπέλλου στο αυτί σας και κρατήστε το μαγνήτη κοντά στο πηνίο για να ακούσετε τον ήχοw2
  • Προσεκτικά «διαχωρίστε» ένα ζευγάρι παλιών ακουστικών για να αναγνωρίσετε τα στοιχεία μέσα σε αυτό (π.χ. πηνίο, μαγνήτης)w3
  • Επεξηγήστε τη λειτουργία ενός φωνογράφου (η μηχανική έκδοση ενός μεγαφώνου) ως έναν εναλλακτικό τρόπο κατανόησης της σχέσης μεταξύ ήχου και κυματομορφώνw4

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Το Audacity είναι δωρεάν λογισμικό ήχου και είναι διαθέσιμο για λήψη από την ιστοσελίδα του Audacity.
  • w2 – Επισκεφτείτε την ιστοσελίδα του Exploratorium για οδηγίες στο πώς να κατασκευάσετε ένα κυπελλοειδές ηχείο.
  • w3 – Για έναν οδηγό αποσυναρμολόγησης ακουστικών και για να μάθετε πως λειτουργούν, επισκεφτείτε την ιστοσελίδα Explain that Stuff.
  • w4 – Για οδηγίες σχετικά με τον τρόπο κατασκευής ενός γραμμοφώνου επισκεφτείτε την ιστοσελίδα Exploratorium.

Resources

Institution

Science on Stage

Author(s)

Ο Antxon Anta διδάσκει μαθηματικά, φυσική και χημεία στο Γερμανικό Σχολείο του Σαν Σεμπάστιαν (Deutsche Schule San Alberto Magno), στην Ισπανία και έχει ηγηθεί σε πολλά μαθήματα κατάρτισης εκπαιδευτικών σε διάφορα μέρη της χώρας. Ο Antxon συμμετέχει τακτικά σε εθνικές εκθέσεις επιστημονικής έρευνας και στον ετήσιο διαγωνισμό «Επιστήμη εν δράσει», όπου έχει κερδίσει πολλά βραβεία.

Η Elizabeth Goiri έχει διδακτορικό δίπλωμα στη νανοεπιστήμη από το Πανεπιστήμιο της Χώρας των Βάσκων, στην Ισπανία, και μεταπτυχιακό δίπλωμα στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση, με ειδίκευση στη φυσική και τη χημεία. Ολοκλήρωσε την πρακτική της άσκηση στο Γερμανικό Σχολείο του Σαν Σεμπάστιαν υπό την επίβλεψη του Antxon Anta.

Μαζί συμμετείχαν στο φεστιβάλ Science on Stage του 2017 στο Debrecen της Ουγγαρίας, με το πρότζεκτ τους «Φυσική για Όλους»


Review

Ο ηλεκτρομαγνητισμός θεωρείται συχνά ένα δύσκολο θέμα για κατανόηση, αλλά αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια ενδιαφέρουσα και καινοτόμο εφαρμογή που επιτρέπει στους εκπαιδευτικούς να ενσωματώσουν την ενεργό μάθηση στα μαθήματα τους.

Το θέμα είναι κατάλληλο ως επίδειξη για μαθητές 11-14 ετών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μαθητές 14-16 ετών ως μια δραστηριότητα για τη διερεύνηση λειτουργίας ενός μεγαφώνου. Για να επεκτείνουν τη δραστηριότητα, οι εκπαιδευτικοί μπορούν να οργανώσουν έναν διαγωνισμό στην τάξη προς ανάδειξη του καλύτερου σε ποιότητα μεγαφώνου, και να συζητήσουν το συλλογισμό με τους μαθητές τους. Για μεγαλύτερους μαθητές (π.χ. 16-19 ετών), το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα σημείο εκκίνησης για την εισαγωγή της έννοιας των ρευμάτων eddy (δινορεύματα), με τους μαθητές να ερευνούν την επίδραση αυτών των ρευμάτων στην ποιότητα ήχου του μεγαφώνου.

Οι αρχές που περιγράφονται σε αυτή τη δραστηριότητα μπορούν επίσης να συνδεθούν με τη σεισμολογία, με τους μαθητές να χρησιμοποιούν το ηλεκτρομαγνητικό πηνίο για να συλλέξουν ταλαντώσεις που προκαλούνται από δονήσεις (π.χ. σεισμικές δονήσεις), τις οποίες μπορούν να δουν στο Audacity.


Colin Oates, καθηγητής φυσικής, Σκωτία, ΗΒ




License

CC-BY