Применение акустики и оптики в быту и не только. | Коломайко Павел Тимофеевич. Работа №306631

Введение

Общее экспериментальное учение о волнах на воде и в воздухе было дано братьями Э. и В. Веберами в 1822 г. Математическую теорию колебаний мембран (1850 г.) и стержней (1858 г.) разрабатывал Г. Кирхгоф. В 1855 г. Новый метод измерения скорости звука (возбуждением стоячих волн и образованием пыльных фигур в трубах) дал Кундт в 1866 г. С 1856 г. начинаются классические исследования Гельмгольца по физической и физиологической акустике, обобщенные в его основном труде "Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа теории музыки", первое издание которого вышло в 1863 г. Гельмгольц дает объяснение комбинационных тонов, открытых еще в 1740 г. Зорге. Им создана теория звучащих труб, раскрыто значение тембра, дана теория речевого и слухового аппарата.

Оригинальный метод определения скорости звука, аналогичный методу Физо в оптике, был разработан по идее Лебедева А. Б. Млодзеевским. Н. П. Кастерин (1898 г.) открыл дисперсию звука в неоднородной среде, подтвердив свои расчеты непосредственным экспериментом. Лаборатория Лебедева явилась пионером и в исследовании ультраакустических процессов, получивших важное значение в XX в. Переходя к оптике, мы должны отметить прежде всего открытие Кирхгофом связи между поглощательной и испускательной способностью вещества. За ним последовало открытие Кирхгофом и Бунзеном спектрального анализа (1859 г.), положившее начало широкому развитию спектроскопии. Разрабатывается методика спектроскопических измерений в видимой, ультрафиолетовой (Шуман) и инфракрасной (Ланглей, Рубенс) частях спектра. Решетки с высокой разрешающей способностью изготовил Роуланд (1882 г.). Высоким достижением оптической техникиявились интерферометры и интерференционные спектроскопы большой разрешающей силы Стоячие световые волны были получены Винером в 1890 г. А. Фабри и Перо (1899 г.) провели сравнение метра с длиной световых волн.

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

-Введение-

1. Определение Акустики

1.2. Охлаждение

1.3. Ультразвуковая сварка

1.4. Подзарядка телефона голосом

1.5. Превращение тело человека в микрофон

1.6. Акустическая маскировка

2. Определение Оптики

2.1. Оптический бинокль

2.2. Оптический прицел

2.3. Оптический монокуляр

2.4. Оптический микроскоп и лупа

-Литература-

1. Определение акустики

Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — в узком смысле слова — учение о звуке, то есть о волнах плотности в газах, жидкостях и в твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (диапазон от 16 Гц до 20 кГц), а в широком смысле — область физики, изучающая свойства упругих колебаний и волн от низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот 1012 — 1013 Гц, их взаимодействия с веществом и применение полученных знаний для решения широкого круга инженерных проблем. Термином «акустика» сейчас также часто характеризуют систему звуковоспроизводящей аппаратуры.

Одесская опера. Оркестровая яма используется для лучшего направления в зрительный зал звукового потока

Знание закономерностей генерации акустических волн, их распространения в разных средах имеют значение практически во всех областях человеческой деятельности. Для общей характеристики роли акустики в современном мире очень удачным является созданное учёным-акустиком Робертом Линдси. графическое изображение, известное как «колесо акустики Линдси»[1]. В нём выделены четыре области человеческой активности, в которых акустические знания имеют важное значение: науки о жизни, науки о Земле, искусство, техника. Центральное место в этой диаграмме занимают основополагающие исследования в акустике, которые объединены общим названием — физическая акустика.

1.2. Охлаждение

Команда ученых из Университета Пенсильвании при поддержке Ben and Jerry’s создала холодильник, который охлаждает еду с помощью звука. В его основе лежит принцип того, что звуковые волны сжимают и расширяют воздух вокруг себя, что нагревает и охлаждает его соответственно. Как правило, звуковые волны меняют температуру не больше чем на 1/10000 градуса, но если газ будет под давлением в 10 атмосфер, эффекты будут значительно сильнее. Так называемый термоакустический холодильник сжимает газ в охлаждающей камере и взрывает его с помощью 173 децибел звука, генерируя тепло. Внутри камеры серия металлических пластин на пути звуковых волн поглощает тепло и возвращает его в теплообменную систему. Тепло удаляется, а содержимое холодильника охлаждается.

Эта система была разработана как более экологичная альтернатива современным холодильникам. В отличие от традиционных моделей, которые используют химические хладагенты в ущерб атмосфере, термоакустический холодильник отлично работает с инертными газами вроде гелия. Поскольку гелий просто покидает атмосферу, если вдруг оказывается в ней, новая технология будет экологичнее любой другой на рынке. По мере развития этой технологии, ее дизайнеры надеются, что термоакустические модели в конечном счете обойдут традиционные холодильники по всем пунктам.

1.3. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковые волны используются для сварки пластмасс с 1960-х годов. В основе этого метода лежит сжимание двух термопластичных материалов на вершине особого приспособления. Через раструб затем подаются ультразвуковые волны, которые вызывают вибрации в молекулах, что, в свою очередь, приводит к трению, генерирующему тепло. В конечном итоге два куска свариваются вместе равномерно и прочно.

С тех пор ультразвуковая сварка нашла широкое применение во многих отраслях промышленности. От подгузников до автомобилей, этот метод повсеместно используется для соединения пластмасс. В последнее время экспериментируют даже с ультразвуковой сваркой швов на специализированной одежде. Компании вроде Patagonia и Northface уже используют сварные швы в своей одежде, но только прямые, и выходит очень дорого. В настоящее время самым простым и универсальным методом по-прежнему остается ручное шитье.

1.4. Подзарядка телефона голосом

С помощью нано-технологий ученые пытаются извлекать энергию из самых разных источников. Одна из таких задач — создание устройства, которое не нужно будет заряжать. Nokia даже запатентовала устройство, которое поглощает энергию движения.

Поскольку звук — это всего лишь сжатие и расширение газов в воздухе, а значит движение, он может стать жизнеспособным источником энергии. Ученые экспериментируют с возможностью зарядки телефона прямо во время использования — пока вы звоните, например. В 2011 году ученые из Сеула взяли нано-стержни из оксида цинка, зажатые между двух электродов, чтобы добыть электричество из звуковых волн. Эта технология могла вырабатывать 50 милливольт просто из шума движения машин. Этого недостаточно, чтобы зарядить большинство электрических устройств, но в прошлом году лондонские инженеры решили создать устройство, вырабатывающее 5 вольт — и этого уже хватает, чтобы подзарядить телефон.

1.5. Превращение тело человека в микрофон

Ученые из Disney сделали устройство, которое превращает человеческое тело в микрофон. Названное «ишин-ден-шин» в честь японского выражения, означающего общение через негласное взаимопонимание, оно позволяет кому-либо передать записанное сообщение, просто коснувшись уха другой персоны.

Это устройство включает микрофон, прикрепленный к компьютеру. Когда кто-то говорит в микрофон, компьютер сохраняет речь в виде записи на повторе, которая затем преобразуется в едва слышный сигнал. Этот сигнал передается по проводу от микрофона к телу любого, кто его держит, и производит модулированное электростатическое поле, которое вызывает крошечные вибрации, если человек чего-то касается. Вибрации могут быть услышаны, если человек коснется чужого уха. Их даже можно передавать от человека к человеку, если группа людей находится в физическом контакте.

1.6. Акустическая маскировка

Ученые сделали устройство, которое может прятать объекты от звука. Оно похоже на странную дырявую пирамиду, но ее форма отражает траекторию звука так, будто бы он отражается от плоской поверхности. Если вы разместите эту акустическую маскировку на объекте на плоской поверхности, он будет неуязвим для звука вне зависимости от того, под каким углом вы будете звук направлять.

Хотя, возможно, эта накидка и не предотвратит прослушивание разговора, она может пригодиться в местах, где объект нужно спрятать от акустических волн, например, концертный зал. С другой стороны, военные уже положили глаз на эту маскировочную пирамиду, поскольку у нее есть потенциал прятать объекты от сонара, например. Поскольку под водой звук путешествует почти так же, как по воздуху, акустическая маскировка может сделать подводные лодки невидимыми к обнаружению.

2. Определение Оптики

Оптика (от др.-греч. ὀπτική «наука о зрительных восприятиях») — это раздел физики, изучающий поведение и свойства света, в том числе его взаимодействие с веществом и создание инструментов, которые его используют или детектируют[1]. Оптика обычно описывает поведение видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, другие формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны, обладают аналогичными свойствами.

Большинство оптических явлений можно объяснить с помощью классической электродинамики. Однако полное электромагнитное описание света часто затруднительно применять на практике. Практическая оптика обычно строится на упрощённых моделях. Самая распространённая из них, геометрическая оптика, рассматривает свет как набор лучей, которые движутся по прямым линиям и изгибаются, когда проходят сквозь поверхности или отражаются от них. Волновая оптика — более полная модель света, которая включает волновые эффекты, такие как дифракция и интерференция, которые не учитываются в геометрической оптике. Исторически первой была разработана лучевая модель света, а затем волновая модель света. Прогресс в теории электромагнетизма в 19 веке привёл к пониманию световых волн как видимую часть спектра электромагнитного излучения.

2.1. Оптический бинокль

Бинокль позволяет наблюдать за удаленными объектами, используя оба глаза. Из-за стереоскопического эффекта существенно повышается удобство и информативность наблюдения и снижается утомляемость глаз по сравнению с наблюдением одним глазом. Различают дневные и ночные оптические бинокли. Используя принцип многократное усиление света, попавшего в диапазон, открытый для глаза смотрящего, бинокль ночного видения позволяет вести наблюдение ночью и в условиях недостаточной освещенности. Если, в условиях сумерек или ночной мглы Вы хотите не только смотреть на что-то, но еще и осуществлять какие-то действия, Вам помогут очки ночного видения. Наличие в конструкции очков специальной маски, которая позволяет закрепить прибор на голове наблюдателя, позволяет вести наблюдение и одновременно что-то делать руками, которые остаются свободными.

2.2. Оптический прицел

Прицел — прибор, который закрепляется на огнестрельном оружии для лучшего наведения оружия на цель. Различают дневные, коллиматорные и ночные оптические прицелы, из которых первые два предназначены для использования в светлое время суток, а прицел ночного видения позволяет вести стрельбу ночью. Дневной оптический прицел представляет собой телескопическую систему, наподобие зрительной трубы, закрепленную на оружии, в одной или нескольких плоскостях изображений которой нанесены специальные метки (сетка) предназначенные для наведения оружия на цель.

Как видно уже из самого этого названия, коллиматорный прицел оснащен особым оптическим устройством — коллиматором. Использование в конструкции прицела коллиматора обеспечивает высокую скорость прицеливания, раза в 2-3 больше, чем у простых оптических прицелов. На оружии прицелы закрепляются с помощью специальных крепежных приспособлений – кронштейнов, планок, колец и т.д

2.3. Оптический монокуляр

Монокуляры имеют один окуляр и один объектив. Отсюда, собственно, и название: "моно" — значит "один". Уступая по качеству изображения биноклям, монокуляры имеют существенное преимущество в размерах по сравнению с ними. Монокуляры обычно применяют, когда необходима минимальная масса прибора при достаточном увеличении и высоком качестве изображения, и при этом допустимо некоторое снижение удобства наблюдения по сравнению с соответствующим биноклем. Также как и бинокли, выпускаются ночные монокуляры для наблюдения в темное время суток, в том числе и комплекте с маской.

2.4. Оптический микроскоп и лупа

Микроскоп (от греческих слов "маленький" и "смотрю") — оптический прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений того или иного объекта с целью изучения этого объекта. Микроскоп применяется, главным образом, в лабораториях ученых — медиками, биологами и т.д. При помощи микроскопа конструкторы определяют форму, размеры и многие другие параметры для каких-нибудь микроэлементов сложного технического устройства.

Лупы используются во многих профессиях, где увеличение позволяет выполнять прецизионную работу с большей эффективностью и легкостью. Примеры включают хирургию, стоматологию, офтальмологию, ювелирную торговлю, геммологию и часовое дело. Лупы также иногда используются в фотографии и печати.