Undele audio: cum să construim un difuzor Teach article

Traduzido por Mircea Băduţ. Explorați știința sunetului și electromagnetismul cu această activitate practică de construire.

Oamenii au făcut muzică încă din timpuri preistorice: de la bătăile ritmice executate de strămoșii noștri preistorici cu ajutorul bastoanelor sau al pietrelor, până la crearea simfoniilor complexe din ultimele secole. Astăzi putem asculta muzică oricând și oriunde, şi aceasta grație difuzoarelor din smartphone-uri sau din player-ele MP3. Este ceva ce mai toţi elevii fac în fiecare zi, dar câte persoane înțeleg cum funcționează difuzoarele?

Articolul de faţă descrie construirea unui difuzor audio folosind materiale simple (Capell Arques, 2011). Activitatea de laborator îngăduie elevilor să observe direct o aplicare larg răspândită și surprinzător de simplă a fizicii sunetului și a electromagnetismului, şi aceasta într-un mod distractiv și motivant.

Prin construirea unei versiuni proprii de difuzor audio, elevii învață despre forme de undă și despre fizica sunetului.
mtmmonline/pixabay.com, CC0

Cum funcționează un difuzor?

Un difuzor audio convertește un curent electric în sunet (transformând energia electrică în energie acustică) prin folosirea a două componente principale: un magnet și o bobină de sârmă. Când un curent electric trece prin bobină, acesta produce un câmp magnetic (după cum descrie Legea inducției, formulată de Faraday), transformând bobina într-un electromagnet.

Curentul produs de un semnal audio nu este însă constant: el alternează rapid între diverse valori extreme. Această variaţie a curentului prin bobină face ca polaritatea câmpului magnetic indus să varieze puternic. Dacă acum aducem un magnet permanent (care prezintă un câmp magnetic constant) aproape de bobină, magnetul permanent și electromagnetul (bobina) interacționează, comutând rapid între atracție și respingere, rezultând astfel în mișcări înainte-înapoi (vibrații) ale bobinei, care se mişcă solidar cu membrana difuzorului. Aceste vibrații sunt transmise aerului înconjurător, iar când ajung la timpanul nostru, creierul le interpretează ca fiind sunete, dacă frecvența lor se află în domeniul audibil (între 20 Hz și 20 kHz).

În configurația noastră, folosim un magnet din neodim cu formă de disc și fixăm bobina și magnetul pe câte un CD sau DVD vechi. Când CD-bobina este așezată deasupra CD-magnetului, iar bobina este conectată la semnalul audio, bobina și magnetul interacționează. Doarece CD-magnetul este mult mai greu decât CD-bobina, putem să ignorăm vibrația CD-magnetului și să luăm în considerare numai vibrația CD-bobinei.

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.
Principalele componente ale difuzorului artizanal: o sursă de semnal audio, o bobină de sârmă, un magnet și un pahar de plastic uşor. Bobina și magnetul sunt atașate la câte un CD/DVD.
Elizabeth Goiri
Audio source: Sursa audio; Permanent magnet: Magnetul permanent; Plastic cup: Paharul de plastic; Wire coil (electromagnet): Bobina (electromagnetul); CDs: CD-uri

Activitatea 1: Construirea difuzorului

Activitatea de laborator poate fi realizată de elevi cu vârste între 14 şi 16 ani şi va necesita aproximativ 50 de minute. Recomandăm lucrul în echipe de 3-4 elevi.

Materiale

Pentru a construi un difuzor audio: 

  • Un magnet de neodim de forma unui disc, cu diametrul de ~20 mm și cu grosimea de ~10 mm
  • Sârmă de cupru emailată, cu diametrul de 0,2 mm şi cu lungimea de aproximativ 3,5 m
  • Un cablu audio cu mufă de 3,5 mm, mono sau stereo (vedeţi figura 1 pentru a determina tipul de cablu deținut). Rețineți că procedura necesită tăierea cablului.
  • O scobitoare
  • Două CD-uri sau DVD-uri vechi
  • Două cabluri cu mufă crocodil
  • Un dop de sticlă, din plută
  • Lipici PVA
  • Șmirghel sau lamă de tăiere
  • Foarfece sau cleşte/patent
  • Bandă izolatoare
  • Pahar din plastic (de unică folosinţă)
  • Sursă de semnal audio cu o mufă jack audio (PC, laptop, MP3-player, smartphone)

Menţiune privind protecţia

Aveți grijă când manipulați magneții de neodim pentru a evita deteriorarea echipamentului electric sau prinderea degetelor între magneți. Trebuie acordată atenție şi la tăierea şi desizolarea cablurilor audio folosind foarfeca sau cleştele.

 

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.
Figura 1: Identificați tipul de cablu (și firele pe care le conține) prin numărarea inelelor izolante de pe mufa audio.
Elizabeth Goiri
Audio: Audio; Audio (left): Audio (stânga); Audio (right): Audio (dreapta); Earth: Împământare (masă); Microphone: Microfon; Mono audio jack: Jack audio monofonic; Stereo audio jack: Jack audio stereofonic; Stereo jack with microphone: Jack audio stereofonic cu microfon

Procedura

  1. Bobinați aproximativ 50 de spire de sârmă de cupru în jurul dopului de plută, cât mai compact posibil, păstrând 5-10 cm de sârmă liberă la început. Va trebui să scoateți bobina de pe dop, deci nu o înfășurați prea strâns. Puteți pune o scobitoare între dopul de plută și firul bobinat pentru a menține un spaţiu gol.
  2. Tăiați firul, lăsând la capăt aproximativ 40 cm de sârmă la dispoziție.
  3. Scoateți cu grijă bobina de pe dopul de plută. Înfășurați bucata lungă de sârmă de la capăt în jurul bobinei pentru a o împiedica să se desfacă, lăsând la sfârșit doar 5-10 cm de sârmă, așa cum se arată în figura 2.
     

    Figure 2: The coil for the loudspeaker is created by winding copper wire around a wine cork.
    Figura 2: Bobina pentru difuzor este creată prin înfășurarea sârmei de cupru în jurul unui dop de sticlă.
    Elizabeth Goiri
     

  4. Folosiți șmirghel sau o lamă de tăiere pentru a îndepărta emailul de la capetele firelor de cupru, pe o lungime de 1-2 cm.
  5. Lipiți bobina în centrul unui CD folosind un adeziv PVA (discul va servi ca suport pentru bobină).
  6. Folosind o foarfecă sau un cleşte de sârmă, tăiați cablul audio și desfaceţi izolaţia exterioară pentru a expune firele din interior. În mod normal firul de masă (împământare) este neprotejat, iar firele de semnal audio sunt izolate cu plastic (figura 3).
     

    Figure 3: A stripped stereo audio cable shows two audio wires and one bare earth wire.
    Figura 3: Un cablu audio stereo desfăcut arată două fire de semnal audio și un fir de masă/împământare.
    Elizabeth Goiri
     

  7. Conectați cablul audio la un capăt al bobinei și firul de împământare la celălalt capăt al bobinei folosind cele două cleme crocodil. În cazul unui cablu stereo, conectați numai unul dintre canalele audio la bobină (firul audio stânga sau dreapta) și lăsați-l pe celălalt nefolosit.
  8. Fixați magnetul discului de neodim în centrul unui al doilea CD (figura 4).
     

    Figure 4: Using tape or glue, the magnet is fixed to a CD for support.
    Figura 4: Fixaţi magnetul pe un CD folosind lipici sau bandă adezivă.
    Antxon Anta
     

  9. Așezați CD-magnetul pe o suprafață plană (cu partea magnetului în sus) și poziționați CD-bobina deasupra (cu bobina în sus). 
  10. Conectați mufa audio la sursa de semnal audio (figura 5). Din experiența noastră, un PC este sursa cea mai potrivită; curentul de la unele smartphone-uri poate fi prea slab. 
     

    Figure 5: The components of the loudspeaker, using an mp3 player for the audio source
    Figura 5: Componentele difuzorului artizanal, folosind un player MP3 ca sursă de semnal audio
    Antxon Anta
     

  11. Redați un cântec sau un fișier audio și reglaţi volumul sonor la maxim. Dacă ați făcut corect conexiunile, ar trebui să auziți sunetul corespunzător, slab dar clar. În funcție de puterea magnetului folosit în montaj, s-ar putea să simțiți că bobina vibrează atunci când o atingeți.
  12. Pentru a mări volumul sonor, apăsați paharul de plastic pe bobină.
  13. Modificați distanța dintre bobină și magnet prin deplasarea CD-urilor. Cum afectează această modificare volumul sonor și de ce? 

Sunet şi forme de undă

Volumul (amplitudinea vibrațiilor) și înălţimea sunetului (frecvența vibrațiilor) sunt determinate de forma și de tipul curentului electric transmis, ca funcție de timp, adică de forma de undă. Toate informațiile despre sunetul codificat în fișierul audio sunt conținute în această formă de undă. Forma de undă descrie în esență dependența de timp a celor trei componente – curentul electric, câmpul magnetic indus și vibrația bobinei.

Un instrument minunat pentru studierea sunetului (forma de undă, amplitudinea, înălţimea sunetului, timbrul) îl constituie software-ul audio open-source Audacityw1. În următoarea activitate de laborator, elevii vor folosi acest software pentru a vizualiza forma de undă a sunetului redat prin difuzorul confecţionat artizanal.

Activitatea 2: Vizualizarea formelor de undărms 

Prin această activitate de laborator, elevii vor înțelege că unda sonoră pe care o văd are forma unui curent variabil în timp, care este transmis de la sursa audio la bobină. Acest curent induce un câmp magnetic variabil în bobină, cu aceeași formă de undă. Se recomandă ca elevii să lucreze în aceleași echipe ca și înainte. Activitatea va dura aproximativ 20 de minute.

Materiale

  • Difuzorul confecţionat artizanal
  • Calculator (PC sau laptop) cu software-ul Audacity instalat
  • Fişiere audio la alegere

Procedura

  1. Începeți prin generarea în difuzor a unui ton pur (sinusoidal) utilizând Audacity (Opţiunea meniu: Generare>Tone). Elevii vor vedea forma de undă generată pe ecran (figura 6A). Redați tonul prin difuzor.
  2. Apoi importați în Audacity un fișier audio, cum ar fi un cântec (Opţiunea meniu: Fișier>Importă>Audio). 
  3. Folosiți funcția zoom pentru a vedea clar forma de undă. (Opţiunea meniu: Vizualizare>Zoom>Măreşte) Figura 6 prezintă imagini cu măriri succesive ale formei de undă corespunzând melodiei „Jocul vindecător” a lui Van Morrison. Dacă mărim suficient de mult, devine vizibilă forma de undă reală.
  4. Folosind software-ul experimentați diverse amplitudini și forme de undă atunci când parcurgeți fișierul audio. 
  5. Audacity arată, în partea de jos a ecranului, lungimea intervalului de timp selectat în graficul undei sonore. Folosiți această facilitate pentru a estima scara de timp a vibrațiilor prin măsurarea intervalelor de timp de la un vârf la altul în forma de undă afişată. 
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
Figura 6: A: O formă sinusoidală pură de 440 Hz generată de Audacity; B: întregul clip audio al melodiei „The Healing Game” a lui Van Morrison, importată în Audacity; C: apropiere a zonei roșii din panoul B; D: o mărire suplimentară care ne arată o porţiune a formei de undă din panoul C (marcată acolo în roșu), care corespunde curentului real prin bobină
Elizabeth Goiri

Discuţie

Elevii vor considera acest proiect ca fiind un mod simplu și distractiv de a înțelege fizica din spatele unui difuzor audio. Următoarele întrebări vă pot ajuta să evaluați cât de bine au înțeles elevii conceptele implicate.

  • Ce este un difuzor? Denumiți componentele principale.
  • Ce dispozitive uzuale funcţionează folosind o bobină și un magnet pentru a produce sunet?
  • Care este succesiunea evenimentelor care concurează la producerea sunetului la difuzor?
  • Care este scopul apăsării paharului de plastic înspre bobină?
  • Ce efect are creșterea sau scăderea distanței dintre cele două CD-uri?
  • Ce s-ar întâmpla dacă am elimina magnetul permanent fixat pe CD?
  • Ce tip de interacțiune determină vibrația bobinei?
  • Ce descrie forma de undă (așa cum se vede ea în Audacity)?
  • Cum este vibrația aerului din jur legată de vibrația (deplasarea) bobinei?
  • Ce puteți deduce cu privire la duratele de timp implicate în vibrațiile sonore prin vizualizarea acestor forme de undă?

Alte idei

Proiectul nostru poate fi adaptat sau completat în mai multe feluri, precum:

  • Pentru variaţie, lipiți bobina de fundul unui pahar de hârtie sau de plastic și conectați-o la o sursă audio folosind cablul audio. Apropiați urechea de deschiderea paharului și țineți un magnet aproape de bobină pentru a auzi sunetulw2
  • ‘Disecați’ cu atenție o pereche de căști audio vechi, pentru a identifica componentele din interior (de exemplu bobina, magnetul)w3
  • Ilustrați funcționarea fonografului (versiunea mecanică a difuzorului) ca modalitate alternativă de a înțelege relația dintre sunet și forma de undăw4

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

Science on Stage

Author(s)

Antxon Anta predă matematică, fizică și chimie la Școala germană din San Sebastián (Spania) și a condus numeroase cursuri de pregătire a profesorilor în diferite locuri din Spania. Antxon participă în mod regulat la târgurile naționale de știință și la concursul anual „Ciencia en Acción” (Ştiinţa în acţiune), unde a câștigat numeroase premii.

Elizabeth Goiri are doctoratul în nano-științe de la Universitatea din Țara Bascilor, Spania, și o diplomă de masterat în învățământul secundar, specializată în fizică și chimie. Ea a absolvit stagiul de masterat la Școala germană din San Sebastián, sub supravegherea lui Antxon Anta.

Împreună ei au participat la festivalul ‘Ştiinţa pe Scenă’, 2017, desfăşurat la Debreţin, Ungaria, cu proiectul lor ‘Fizica pentru toţi’.


Review

Electromagnetismul este considerat adesea ca fiind un subiect greu de înțeles, însă acest articol prezintă o aplicație inedită și interesantă, ce permite profesorilor să integreze învățarea activă în lecțiile lor.

Subiectul este potrivit ca demonstrație pentru elevi având vârsta de 11-14 ani, dar poate fi folosit şi cu elevii de 14-16 ani ca activitate de explorare a modului în care funcționează un difuzor. Ca o continuare, profesorii ar putea organiza un concurs la nivelul clasei pentru a desemna difuzorul cu cea mai bună calitate a sunetului și pentru a discuta raționamentul cu elevii. În cazul elevilor de vârste mai mari (16-19 ani), articolul ar putea fi folosit ca punct de plecare pentru a introduce noțiunea de curenți turbionari, studiind efectul pe care acești curenți îl au asupra calității sunetului difuzorului.

Principiile evidențiate în această activitate de laborator ar putea fi legate și de seismologie, cu elevii utilizând bobina electromagnetică pentru a înregistra oscilațiile cauzate de vibrații (cutremure, de exemplu) pe care le-ar putea vizualiza în Audacity.


Colin Oates, profesor de fizică, Scoţia, Marea Britanie




License

CC-BY