Меню

Преобразование тока в звук

Основы электроакустики

По образу звуковых колебаний можно создать электрические колебания с такой же формой кривой, т.е. с таким же спектром. В этом случае в электрических колебаниях будет записана та же информация, что и в звуковых колебаниях. Электрическую копию звука можно передать на большие расстояния, отправить на длительное хранения («записать»), во много раз усилить и, наконец, когда это понадобится, вновь превратить в звук. На передающей стороне с помощью звуковых волн создается переменный ток, график которого соответствует графику звукового давления, т.е. создается электрическая копия звука. По линии связи (провода, кабели, радиоэфир . ) электрическая копия звука (переменный ток) передается на приемную сторону. На приемной стороне с помощью переменного тока создают звук (по электрической копии восстанавливают звуковой оригинал). Независимо от способа передачи электрического сигнала в любой системе передачи звука должны быть переводчики, превращающие звуковые колебания в электрические и наоборот. Главное требование к переводчику — переводчик не должен врать.

Задача неискаженной передачи звука имеет три основные части:

  • -нужно без искажений преобразовать звук в ток;
  • -нужно, чтобы весь спектр сложного тока без изменения прошел по всем электрическим цепям;
  • -нужно, чтобы сложный ток без искажений преобразовался в звук.

Нарушение точности передачи подразделяют на следующие виды:

  • -потеря акустической перспективы;
  • -смещение среднего уровня сигнала;
  • -ограничение частотного и динамического диапазонов;
  • -маскировка шумами и помехами;
  • -линейные, нелинейные и переходные искажения.

Потеря акустической перспективы получается при передаче акустических сигналов по дноканальным системам независимо от число микрофонов в месте нахождения первичного источника звука и громкоговорителей в месте нахождения слушателей. Смещение уровней получается из-за того, что слушателю не сообщается значение среднего уровня первичного акустического сигнала. Поэтому слушатели устанавливают средний уровень по своему усмотрению. А так как в устройствах обработки сигналов этот уровень непрерывно меняется, то, как правило, практически невозможно точно восстановить средний уровень, равный среднему уровню первичного акустического сигнала. В результате смещения средних уровней происходит изменение соотношения между громкостями низкочастотных и среднечастотных составляющих.

Тракт передачи сигналов в силу ряда технических и экономических причин ограничивает частотный диапазон сигнала, для расширения которого и применяют частотную коррекцию на низких и высоких частотах передаваемого диапазона. Ограничение динамического диапазона сигнала обычно определяется сверху появлением перегрузки отдельных звеньев тракта сигналов или возникновением недопустимых нелинейных искажений, снизу — наличием шумов и помех в этом тракте. Чтобы избежать ограничения динамического диапазона сигнала, применяют сжатие его диапазона по возможности до пределов динамического диапазона тракта передачи. Динамический диапазон сигнала в ряде случаев может быть восстановлен на приемном конце тракта, но это усложняет приемную аппаратуру, а иногда это и невозможно (при амплитудном ограничении).

В звуковой аппаратуре звук представляется либо непрерывным электрическим сигналом, либо набором цифр (нулей и единиц). Аппаратура, в которой рабочий сигнал является непрерывным электрическим сигналом, называется аналоговой аппаратурой (например, бытовой радио приемник или стерео усилитель), а сам рабочий сигнал – аналоговым сигналом.

Преобразование звуковых колебаний в аналоговый сигнал можно осуществить, например, следующим способом. Мембрана из тонкого металла с намотанной на нее катушкой индуктивности, подключенная в электрическую цепь и находящаяся в поле действия постоянного магнита, подчиняясь колебаниям воздуха и колеблясь вместе с ним, вызывает соответствующие колебания напряжения в цепи. Эти колебания как бы моделируют оригинальную звуковую волну. Приблизительно так работает привычный для нас микрофон. Полученный в результате такого преобразования аналоговый аудио сигнал может быть записан на магнитную ленту и впоследствии воспроизведен.

Аналоговый сигнал с помощью специального процесса (о нем мы будем говорить позднее) может быть представлен в виде цифрового сигнала – некоторой последовательности чисел. Таким образом, аналоговый звуковой сигнал может быть «введен» в компьютер, обработан цифровыми методами и сохранен на цифровом носителе в виде некоторого набора описывающих его дискретных значений.

Важно понять, что аналоговый или цифровой аудио сигнал – это лишь формы представления звуковых колебаний материи, придуманная человеком для того, чтобы иметь возможность анализировать и обрабатывать звук. Непосредственно аналоговый или цифровой сигнал в его исходном виде не может быть «услышан». Чтобы воссоздать закодированное в цифровых данных звучание, необходимо вызвать соответствующие колебания воздуха, потому что именно эти колебания и есть звук. Это можно сделать лишь путем организации вынужденных колебаний некоторого предмета, расположенного в воздушном пространстве (например, диффузора громкоговорителя). Колебания предмета вызывают колебаниями напряжения в электрической цепи. Эти самые колебания напряжения и есть аналоговый сигнал. Таким образом, чтобы «прослушать» цифровой сигнал, необходимо вернуться от него к аналоговому сигналу. А чтобы «услышать» аналоговый сигнал нужно с его помощью организовать колебания диффузора громкоговорителя.

Источник

Преобразование тока в звук

    Главная
  • Список секций
  • Физика
  • Электричество в музыке или как рождается звук в электронных инструментах

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Электричество в музыке или как рождается звук в электронных инструментах

  • Авторы
  • Руководители
  • Файлы работы
  • Наградные документы

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

1. Введение. Обоснование проекта.

Я посещаю занятия в музыкальной школе. Часто я слышу игру на различных музыкальных инструментах. В одних инструментах звук зарождается в струнах – это гитара, скрипка, балалайка и всем известный рояль. В других инструментах звуки появляется благодаря удару друг об друга различных материалов – это барабан, ложки, бубен. В гармони, баяне, трубе, флейте звуки появляются благодаря воздуху, который проходит через маленькие отверстия. А от чего же звуки появляются в электрических музыкальных инструментах, что же в них звучит? И кто первый догадался использовать электричество в музыке? Эти вопросы заинтересовали меня и я решил найти на них ответ.

Читайте также:  Рил ток синк эбаут мен

Гипотеза:

Звук это механические колебания в слуховом диапазоне частот воспринимаемых человеком, распространяющиеся в упругой среде.

В электронных музыкальных инструментах воспроизводятся электромагнитные колебания звукового диапазона, которые затем передаются на динамик и превращаются в механические колебания той же частоты.

Цели:

Исследовать, как зарождается звук.

Изучить историю создания первого электронного музыкального инструмента Терменвокса.

Исследовать принцип получения «электронного» звука.

Задачи проекта:

На основе изучения терменвокса гениального изобретателя Льва Сергеевича Термена и исследований принципа его действия создать простейшую действующую модель этого музыкального инструмента для демонстрации на уроках технического творчества.

Познакомить своих одноклассников с гениальным российским инженером-электротехником, изобретателем и музыкантом Львом Сергеевичем Терменом, чье имя современные ученые ставят в один ряд с великим Леонардо да Винчи. * [1]

На основании исследований принципа получения «электронного» звука, собрать из элементов конструктора «Знаток» простейшую модель музыкального синтезатора для демонстрации на уроках технического творчества.

II. Основная часть:

Что такое звук?

Это колебания твердой, жидкой или газообразной среды, которые воспринимаются человеческим ухом.

В подтверждении тому следующие два опыта:

Опыт 1: Поднесите руку ко рту и попробуйте, пропеть букву А. Вы кожей ладони почувствуете колебания воздуха. И чем громче звук, тем сильнее будут колебания.

Опыт 2: Привяжите к бечевке железную ложку. Концы бечевки поместите в уши и постучите ложкой о стол. Вы услышите громкий звон, который передается через колебание бечевки.

Вывод: следовательно, что бы воспроизвести звук необходимо привести в колебание твердую, жидкую или газообразную среду с частотой воспринимаемой человеческим ухом. Для этого нужны источники звука. В моих опытах этими источниками являются голосовые связки, которые воспроизводят звук подобно струне, и металлическая ложка.

* Леона́рдо ди сер Пье́ро да Ви́нчи, итальянский художник, изобретатель, писатель, музыкант, яркий пример «универсального человека», чьи интеллектуальные способности, интересы и деятельность не ограничены одной областью знаний и единственной областью их применении.

В учебнике физики 8 класса я выяснил: звук это механические колебания в диапазоне от 16 Герц до 20 000 герц, распространяющиеся в упругой среде. Эти колебания, достигнув уха, действуют на барабанную перепонку, приводя ее в колебательное движение. Мы слышим звук. Восприятие звука у каждого человека индивидуально и меняется с возрастом. Науку — изучающую звуки называют Акустикой.

2. Электрические и электронные музыкальные инструменты – в чем разница?

Существует два вида электрических музыкальных инструментов. Это электро — механические музыкальные инструменты. В этих инструментах звук появляется таким же способом, как и в обычных музыкальных инструментах. А затем усиливается электрическим усилителем и воспроизводится с помощью динамика. Такими инструментами являются, например, электрогитара. В ней колеблются обычные струны, механические колебания которых превращаются в электрический ток, усиливаются и передаются на громкоговоритель, который обратно преобразует электрические сигналы в механические колебания — звук. О таких инструментах я не буду рассказывать, так как они по своей сути близки к обычным.

Другой же вид музыкальных инструментов называется электронными. В таких музыкальных инструментах звук создается электронными методами. Об одном из первых музыкальных инструментах в мире я и хочу рассказать. Так же я планирую создать действующую модель данного музыкального инструмента. Еще мы рассмотрим принцип действия электрического синтезатора.

3. Лев Сергеевич Термен и его изобретение

Одним из первых электронных инструментов был инструмент, который называется Терменвокс. Он получил свое название в честь его изобретателя Льва Сергеевича Термена. Лев Термен — великий русский ученый – физик, основоположник электронной музыки.

Лев Сергеевич Термен родился 28 августа 1896 года, прожил до глубокой старости и умер в возрасте 97 — лет несмотря на то, что прожил тяжелую жизнь, его гноили и травили в ссылках. Термен шутил, что он бессмертен и предлагал прочитать его фамилию наоборот «Термен — не мрет». [2]

Имя Л.С. Термена ставят в один ряд с гениальным Леонардо да Винчи. Термен изобрел первый в мире электронный музыкальный инструмент – терменвокс, а также первую в мире телевизионную установку – дальновидение, разработал охранную сигнализацию и «Буран» — уникальную систему подслушивания, работал над системой распознавания речи, технологией заморозки человека, работал в КБ Королева. Его первые безпилотники и радиобуи для военно-морских операций использовались уже во время Великой отечественной войны.

В 1919 году в Питере физик Абрам Иоффе изучал свойства газов. Ему нужно было радиотехническое устройство для очень точных измерений и он пригласил на работу Льва Термена. [3]

Изначально установка Термена представляла генератор электрический колебаний. Исследуемый газ помещали в полость между металлическими пластинами воздушного конденсатора, тем самым он становился элементом колебательного контура и влиял на частоту электрических колебаний. Далее Термен объединил два генератора, один из которых давал колебания переменной частоты, а на другом частота не менялась. Сигналы от двух генераторов подавались на устройство – смеситель. После такой переделки прибор стал издавать звуки. Прибор оказался очень чувствительным и реагировал на малейшие изменения емкости колебательного контура, вызванные движением руки человека. С изменением емкости менялась частота звука, т.е. звук возникал при движении руки человека.

Термен был музыкантом, поэтому он подобрал музыку и в ноябре 1920 года дал свой первый концерт. Музыка, исполненная на терменвоксе поражала современников, ее называли «музыкой эфирных волн» и «музыкой сфер» выросшей из далеких времен и пространств.

Читайте также:  Постоянный ток в различных средах металлы газы жидкости полупроводники вакуум

4. Принцип работы терменвокса

Принцип действия терменвокса основан на внесении емкости тела исполнителя в колебательный контур генератора, соединенного с антенной, что приводит к изменению его частоты. Сигнал этого генератора смешивается с сигналом второго генератора. Его частота выбирается таким образом, что равенство частот, то есть тишина, получаются, когда рука исполнителя находится вблизи антенны, так, что удаляясь от антенны, мы получаем на выходе смесителя сигнал все возрастающей частоты, лежащий в звуковом диапазоне. Подав этот сигнал на усилитель и динамик, мы получаем звуки разной тональности, двигая рукой около антенны.

Принцип работы терменвокса [ 2,3 ]

У терменвокса имеется еще один генератор, соединенный со второй антенной. Сигнал с этого генератора управляет громкостью звука.

Терменвокс является одним из самых сложных музыкальных инструментов для изучения в мире. Музыканту, который играет на этом музыкальном инструменте требуется идеальный слух, в отличии от других музыкальных инструментов, в которых музыканту помогает мышечная память. Поэтому очень редкие исполнители на терменвоксе играют чисто, точно попадая в ноты. Ведь когда играешь на таком инструменте, нужно по возможности попасть в ноту сразу, а какая нота прозвучит на терменвоксе из тишины, неизвестно никому.

5. Создание упрощенной действующей модели терменвокса

В своей исследовательской работе я решил изготовить упрощенную действующую модель терменвокса. Данная модель будет демонстрировать основные принципы работы терменвокса и служить для демонстрации его работы на уроках физики.

Электрическая схема упрощенной модели терменвокса

Схема, которую я использовал в своей работе, изображена на рисунке 1. Я нашел ее в интернете в свободном доступе.

Состоит она из двух генераторов: это микросхемы DD1 и DD2. Их сигналы поступают на смеситель — это микросхема DD3. Микросхемы DD1 и DD2. Изначально оба генератора, собранные по схеме мультивибраторов, настроены на одинаковую частоту и на выходе смесителя, задача которого состоит в том, чтобы вычитать частоту одного генератора из частоты другого, ничего нет – звука нет. А теперь обратите внимание на антенну, которая подключена к верхнему по схеме генератору Частота генератора достаточно высокая, и он запросто «чувствует» поднесенную к этой антенне руку. Чем ближе мы подносим руку, тем сильнее изменяется частота генератора. Таким образом, приближая и удаляя руку от антенны, мы сможем извлекать звуки того или иного тон.

6. Упрощенная действующая модель музыкального синтезатора и принцип ее действия.

После того как я разобрался в устройстве первого музыкального инструмента, мне стало интересно, как же работают современные электронные музыкальные инструменты, например синтезатор.

Блок схема клавишного музыкального синтезатора

Схематично устройство музыкального синтезатора можно разделить на блоки. Главную функцию выполняют генераторы тона, на рисунке я изобразил только три генератора. На самом же деле их столько, сколько нот должен играть музыкальный инструмент. Когда исполнитель нажимает на какую-нибудь клавишу музыкального инструмента, включается соответствующий этой клавише генератор. Каждый генератор настраивается во время настройки инструмента на определенную частоту, соответствующую определенной ноте. Например, для ноты ЛЯ первой октавы эта частота будет равна 440 герц. Что это значит? А это значит, что ток вырабатываемый этим генератором совершит 440 колебаний в секунду. Именно столько колебаний в секунду совершает и струна гитары, когда мы попробуем сыграть на ней ноту ЛЯ первой октавы. Если ток с этого генератора направить сразу на головку громкоговорителя, то мы услышим звучание этой ноты. Но громкость будет недостаточна. Задача генераторов заключается только в создании колебаний.

Следующим блоком музыкального инструмента после генератора является смеситель. В нем все колебания объединяются вместе. В нем так же есть функции, которые в простейших моделях может отсутствовать. Они позволяют придать каждой ноте определенный оттенок. Заставить музыкальный инструмент звучать как, например, гармонь или гитара, а так же придать звукам множество разных эффектов. После смесителя звук поступает на усилитель мощности и на динамик.

Во время подготовки этой работы самостоятельно изготовил один из генераторов при помощи деталей, входящих в набор радио конструктора «Знаток». Свой генератор я построил по схеме мультивибратора.

Электрическая схема мультивибратора

Отличие мультивибратора от других генераторов, это то, что он генерирует сигналы прямоугольной формы. Для профессиональных музыкальных инструментов применяются более сложные генераторы, генерирующие сигнал синусоидальной формы. Более чистый на слух. Отличие синусоиды от прямоугольного сигнала я показал на рисунке 3.

При помощи осцилографа, мне удалось «заглянуть» внутрь электрической схемы и своими глазами увидеть формы сигнала, которые создают мои генераторы в терменвоксе и генератор на двух транзисторах.

Осцилограф – это прибор, который позволяет представить электрические колебания в виде графика. Сигналы от моей модели терменвокса и генератора на двух транзисторах далеки от идеального графика который дают настоящие музыкальные инструменты.

В дальнейшем я буду усовершенствовать свою модель терменвокса, поставлю еще один генератор со второй антенной. В будущем думаю использовать свою модель терменвокса в театральной студии.

Заключение

В своей работе я исследовал, как зарождается звук, изучил историю создания первого электронного музыкального инструмента терменвокса и исследовал принцип получения «электронного» звука.

В плане исследования терменвокса и принципа его работы, я вместе с родителями побывал на лекции — встрече с правнуком Льва Термена, Петром Терменом. Мне даже удалось с помощью Петра Термена сыграть на настоящем терменвоксе.

Читайте также:  Сварка электродом пост тока

На основе изучения терменвокса гениального изобретателя Льва Сергеевича Термена и исследований принципа его действия собрал простейшую действующую модель этого музыкального инструмента и показал его на уроках физики и уроках технического творчества в школе.

Познакомил своих одноклассников с гениальным российским инженером-электротехником, изобретателем и музыкантом Львом Сергеевичем Терменом и они вместе со мной испытали гордость за нашего соотечественника.

На основании исследований принципа получения «электронного» звука, собрал из элементов конструктора «Знаток» простейшую модель музыкального синтезатора (мультивибратора) и также показал ее на уроках технического творчества.

В дальнейшем, используя цифровую лабораторию в школе, планирую исследовать свои модели и построить графики колебаний на генераторах и смесители модели терменвокса при изменении положений рук.

V. БИБЛИОГРАФИЯ:

Борисов В. Г. Юный радиолюбитель. 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь

Борисов В. Г. Знай радиоприемник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: ДОСААФ, 1986.

Борисов В. Г., Фролов В. В. Измерительная лаборатория начинающего радиолюбителя. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь,

Борисов В. Г., Партин А. С. Введение в цифровую технику. М.: Радио и связь, 1987. — (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1105).

Борисов В. Г. Практикум значкиста «Юный радиолюбитель». М.: ДОСААФ, 1975.

Борисов В. Г. Почему замолчал приемник? Массовая радиобиблиотека, вып. 676. — М.: Энергия, 1969.

Кокин Л. М. История о том, как из электроизмерительного прибора родилась электромузыка // Наука и жизнь : журнал. — 1967. — № 12. — С. 130—138.

Королев Л. Терменвокс.- Радио, 2005, № 8, с.48-51; № 9, с.48-51.

Источник

Студенты придумали, как превратить шум в электричество

Приспособление могло бы применяться в аэропортах

Устройство, позволяющее получать электричество из звуковых волн, предложили филиппинские студенты, недавно одержавшие победу на техническом конкурсе. Молодые инженеры предполагают, что их устройство позволит эффективнее использовать недооцененный на сегодняшний день источник энергии.

Приспособление могло бы применяться в аэропортах

Шум вездесущ, и с развитием цивилизации его становится лишь больше. Тем не менее, энергия, создаваемая звуковыми волнами, на сегодняшний день почти никогда не используется. Молодые изобретатели признают, что идея преобразования звуков в электричество существовала и ранее, однако утверждают, что их концепция предполагает новый подход. Устройство внешне несколько напоминает звуковую колонку, однако работает противоположным образом — когда звук колеблет диафрагму динамика, это приводит в движение расположенные внутри магнит и катушку. Получаемая в результате их взаимодействия энергия накапливается в аккумуляторе.

Как утверждают изобретатели, подобные устройства можно устанавливать в аэропортах, где громкость шума порой достигает 140 децибел. Как утверждается, в таких условиях будет сгенерировано достаточно электричества, чтобы на целую ночь обеспечить энергией 5-ваттную светодиодную лампочку. При этом стоить подобное устройство будет совсем немного, утверждают авторы разработки.

Можно отметить, что к идее филиппинских подростков многие интернет-пользователи отнеслись довольно скептически — в комментариях к соответствующим сообщениям нередко высказывается мнение, что большого потенциала как с точки зрения экономики, так и с точки зрения экологии разработка, скорее всего, не имеет.

Идеи использования энергии, которая обычно пропадает без какой либо пользы, нередко оказываются популярны. Например. Летом было объявлено о готовящемся в Великобритании эксперименте, в ходе которого район под названием Айлингтон на севере Лондона планируется отапливать «избыточным» теплом одной из веток городского метрополитена. Теплый воздух планируется подавать в сотни жилых домов и прочие здания посредством системы труб.

Источник



Преобразование электрических колебаний в звуковые

­После того как электрические колебания переданы на приемную станцию, их нужно снова преобразовать в механические колебания, и тогда мы на приемной станции услышим как раз те звуки, которые действовали на микрофон передающей станции. Эту задачу — превращение электрических колебаний в механические — выполняет телефон. Как же должен быть устроен телефон, чтобы он мог выполнить эту задачу? Во-первых, в телефоне должен быть какой-то элемент, который может совершать механические колебания, а, во-вторых, электрическое устройство, которое могло бы вызвать эти механические колебания. Чтобы рассмотреть более подробно устройство телефона, нужно вспомнить некоторые сведения о магнитных явлениях.

Прежде всего напомним, что если по проводнику пропустить переменный электрический ток, то магнитное поле вокруг проводника будет также переменным, причем это магнитное поле изменяется так же, как изменяется величина электрического тока в проводнике. Далее, чтобы при помощи электрического тока создать сильное магнитное поле, применяют проводники, свернутые в виде катушки. Если внутри катушки поместить стальной сердечник, то магнитное поле, создаваемое током, проходящим в катушке, еще больше усилится. Такие приборы называются «электромагнитами», и применяются они в технике очень часто. Теперь представим себе такой электромагнит и возле него тонкую стальную пластинку, закрепленную одним концом. Если через катушку пропустить постоянный электрический ток, то сердечник, намагниченный этим током, притянет к себе стальную пластинку, и чем сильнее этот ток, тем ближе притянется пластинка к сердечнику. Пока ток постоянной силы проходит по катушке электромагнита, до тех пор пластинка все время будет оставаться в одном и том же положении — притянутой к сердечнику электромагнита. Если выключить ток, проходящий по катушке электромагнита, то магнитное поле катушки исчезнет, и пластинка вернется в нормальное положение.

Дополнительная информация: с целью отвода дыма и газа из паровых топок и топок водонагревных котлов различной мощности широко используются дымососы дн, которые производятся из прочной и долговечной листовой углеродистой стали. ­

Источник