35

ЗМІСТ

ВСТУП ………………………………………………………………………………4

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ……………………………………………………….5

2. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА……………………………………………………...00

2.1 Загальні знання про звукові хвилі…………………………………...00

2.1.1. Основні характеристики звукових хвиль……………………..00

2.1.2. Властивості звукових хвиль………...…………………………00

2.2. Звукове поле…………………………………………………………...00

2.2.1. Лінійні характеристики……………………………………..…00

2.2.2. Енергетичні характеристики…………………………………..00

2.2.3. Рівні звукового тиску…………………………………………00

2.4. Загальні поняття про слух людини…………………………………..00

2.4.1. Будова вуха……………………………………………………..00

2.4.2. Механізми обробки та сприйняття звуку……………………..00

2.4.3. Просторове сприйняття звуків людиною………………….....00

3. ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ……………………………………………………00

3.1.Алгоритм знаходження місця розташування джерела звуку………...00

3.2. Практичне підтвердження ефекту……………………………………..00

3.3. Апаратна частина……………………………………………………….00

3.4. Інструкція щодо використання………………………………………...00

4. ТЕСТУВАННЯ…………………………………………………………………..00

ВИСНОВКИ ………………………………………………………………………00

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ………………………………….....00

ДОДАТОК А

ВСТУП

Світ, що оточує нас, можна назвати світом звуків. Звучать навколо нас голоси людей і музика, шум вітру і щебет птахів, гуркіт моторів і шелест листя. За допомогою мови люди спілкуються, за допомогою слуху отримують інформацію про навколишній світ. Не менше значення звук має для тварин. З точки зору фізики, звук – це механічні коливання, які поширюються в пружному середовищі: повітрі, воді, твердому тілі і т.п.

Здатність людини сприймати пружні коливання, слухати їх, відбилися в назві вчення про звук - акустиці (від грецького akustikos - слуховий, чутний). Взагалі людське вухо чує звук тільки тоді, коли на слуховий апарат вуха діють механічні коливання з частотою не нижче 16 Гц але не вище 20 000 Гц. Коливання ж з більш низькими або з більш високими частотами для людського вуха нечутні.

Перші спостереження з акустики проводилися ще в VI столітті до нашої ери. Піфагор встановив зв'язок між висотою тону і довжиною струни або труби, що видавала звук.

У IV ст. до н.е. Аристотель першим правильно уявив, як поширюється звук у повітрі. Він стверджував, що тіло, яке випромінює звук викликає стискання і розрідження повітря і пояснив луну відбиттям звуку від перешкод.

У XV столітті Леонардо да Вінчі сформулював принцип незалежності звукових хвиль від різних джерел.

У 1660 році в дослідах Роберта Бойля було доведено, що повітря є провідником звуку (в вакуумі звук не поширюється).

У 1700 - 1707 рр.. вийшли мемуари Жозефа Саверіо з акустики, опубліковані Паризькою Академією наук. У цих мемуарах Саверіо розглядає явище, добре відоме конструкторам органів: якщо дві труби органу видають одночасно два звуки, що лише трохи відрізняються по висоті, то чутно періодичні посилення звуку, подібні до барабанного дробу. Саверіо пояснив це явище періодичним збігом коливань обох звуків. Якщо, наприклад, один з двох звуків відповідає 32 коливання в секунду, а інший - 40 коливань, то кінець четвертого коливання першого звуку збігається з кінця п'ятого коливання другого звуку і, таким чином відбувається посилення звуку. Від органних труб Саверіо перейшов до експериментального дослідження коливань струни, спостерігаючи вузли та пучності коливань (ці назви, що існують і до цих пір в науці, введені їм), а також зауважив, що при порушенні струни поряд з основною нотою лунають і інші ноти, довжина хвилі яких становить 1/2, 1/3, 1/4, ... від основної.Він назвав ці ноти вищими гармонійними тонами, і цьому назвою судилося залишитися в науці. Нарешті, Саверіо перший намагався визначити межу сприйняття коливань як звуків: для низьких звуків він вказав кордон у 25 коливань в секунду, а для високих - 12 800.

За тим, Ньютон, ґрунтуючись на цих експериментальних роботах Саверіо, дав перший розрахунок довжини хвилі звуку і прийшов до висновку, добре відомому зараз у фізиці, що для будь-якої відкритої труби довжина хвилі звуку, що випромінюється дорівнює подвоєнню довжини труби.

Після експериментальних досліджень Саверіо до математичного розгляду задачі про коливається струни в 1715 р. приступив англійський математик Брук Тейлор, поклавши цим початок математичної фізики у власному розумінні слова.Йому вдалося розрахувати залежність числа коливань струни від її довжини, ваги, натягу та місцевого значення прискорення сили тяжіння. Це завдання відразу ж стала широко відома і привернула увагу майже всіх математиків XVIII століття, викликавши довгу і плідну дискусію.Нею займалися серед інших Йоганн Бернуллі і його син Данило Бернуллі, Ріккаті і Даламбер. Останній знайшов рівняння в приватних похідних, що визначають малі коливання однорідної струни, і проінтегрував їх методом, застосовуваним і понині.Але найбільш суттєвий внесок вніс Ейлер. Йому ми зобов'язані повною теорією коливань струни, початок побудови якої було покладено в 1739 році в його праці "Досвід нової теорії музики" і продовжувалося в численних подальших доповідях.Зокрема, з теорії Ейлера випливало, що швидкість поширення хвилі по струні не залежить від довжини хвилі збуджуваного звуку. Ейлер виробляв також теоретичні дослідження коливань стрижнів, кілець, дзвонів, але отримані результати не співпали з результатами експериментальної перевірки, розпочатої німецьким фізиком Ернестом Флоресом Фрідріхом Хладні, якого вважають батьком експериментальної акустики. Хладні першим точно досліджував коливання камертона і в 1796 році встановив закони коливань стрижнів.

Фактичне пояснення луни, явища досить примхливого, також належить Хладні, принаймні в істотних частинах. Йому ми зобов'язані і новим експериментальним визначенням верхньої межі чутності звуку, що відповідає 20 000 коливань в секунду. Ці виміри, багаторазово повторювані фізиками до сих пір, вельми суб'єктивні і залежать від інтенсивності і характеру звуку.Але особливо відомі досліди Хладні в 1787 році з дослідження коливань пластин, при яких утворюються красиві "акустичні фігури", що носять назви фігур Хладні і виходять, якщо посипати пластинку, що коливається, піском. Ці експериментальні дослідження поставили нове завдання математичної фізики - задачу про коливання мембрани.

Хладні почав дослідження поздовжніх хвиль у твердих тілах і зіставив поздовжні і поперечні коливання стержня при різних способах збудження (ударом, тертям та ін.) Дослідження поздовжніх хвиль були продовжені експериментально Саварен, а теоретично - Лапласом і Пуассоном.

У 1787 році Хладні, основоположник експериментальної акустики відкрив поздовжні коливання струн, пластин, камертонів і дзвонів.Він перший досить точно виміряв швидкість поширення звукових хвиль в різних газах. Довів, що в твердих тілах звук поширюється не миттєво, а з кінцевою швидкістю, і в 1796 році визначив швидкість звукових хвиль у твердих тілах стосовно звуку в повітрі. Він винайшов ряд музичних інструментів. У 1802 році вийшла праця Ернеста Хладні "Акустика", де він дав систематичний виклад акустики.

Після Хладні французький учений Жан Батист Біо в 1809 році вимірював швидкість звуку в твердих тілах.

У 1800 році англійський вчений Томас Юнг відкрив явище інтерференції звуку і встановив принцип суперпозиції хвиль.

У 1816 році французький фізик П'єр Симон Лаплас вивів формулу для швидкості звуку в газах.

У 1827 році Ж. Колладон і Я. Штурм провели досвід на Женевському озері з визначення швидкості звуку у воді, отримавши значення 1435 м / с.

У 1842 році австрійський фізик Християн Доплера припустив вплив відносного руху на висоту тону (ефект Доплера).А в 1845 році Х. Бейс-Баллот експериментально виявив ефект Допплера для акустичних хвиль.

У 1877 році американський вчений Томас Алва Едісон винайшов пристрій для запису і відтворення звуку, який потім сам же в 1889 році удосконалив. Винайдений ним спосіб звукозапису отримав назву механічного.

У 1880 році французькі вчені брати П'єр і Поль Кюрі зробили відкриття, яке виявилося дуже важливим для акустики.Вони виявили, що, якщо кристал кварцу стиснути з двох сторін, то на гранях кристала з'являються електричні заряди. Це властивість - п'єзоелектричний ефект - для виявлення не чутного людиною ультразвуку.І навпаки, Якщо до граней кристала прикласти змінну електричну напругу, то він почне коливатися, стискаючи й розтискаючи.

1. Постановка задачі

У час веб технологій все частіше і частіше постає необхідність у відео зв’язку. Для цього зазвичай застосовують веб камери ноутбуків чи зовнішні камери для стаціонарних комп’ютерів. Це вносить деякі незручності, так як потрібно постійно сидіти чітко перед камерою і контролювати своє положення, щоб «залишатися у кадрі». І тоді виникла ідея, такого пристрою, який би аналізуючи звук із двох мікрофонів сам міг сфокусувати камеру на доповідача.

Отже темою моєї дипломної роботи є розробка програмно-апаратного комплексу для автофокусування веб-камери на джерело звуку. Це складне завдання і для полегшення його виконання, я поділю його на декілька підзавдань, а саме:

– збір теоретичних даних

– проведення експериментів для підтвердження і уточнення

– написання програмного забезпечення

– створення апаратної частини

Основою роботи стали результати статей «Тріангуляційна система визначення координат джерела звука» та «Розподілена мікроконтролерна система акустичної локації» авторівА.В. Львов, М.Н. Агапов, А.И.Тищенко, зокрема формула обчислення відстані від джерела звуку до мікрофону. За відсутності координат джерела звуку задача набула математичного вигляду:

де - координати джерела звуку (ДЗ),

- координати мікрофону,

і – номер мікрофону,

j – номер пари мікрофону,

- швидкість звуку,

- відстань від джерела звуку до і-го мікрофону,

- час розповсюдження звуку від ДЗ до мікрофона з номером і,

- різниця ходу звуку для пари мікрофонів.

Результатом роботи є завершений пристрій, що автофокусує веб-камеру на джерело звуку, який можна використовувати у повсякденному житті.

2. Теоретична частина

2.1 Загальні знання про звукові хвилі

2.1.1. Основні характеристики звукових хвиль

Поняття хвилі – це одне з найбільших загальних понять фізики. Людина стикається з хвилями з незапам'ятних часів.

Сучасна фізика сповнена хвиль: хвилі землетрусів, які вивчаються сейсмологами; хвилювання і брижі в океанах, озерах і ставках; хвилі звуку, що поширюються у повітрі; хвилі механічних коливань в натягнутих струнах або в кристалах кварцу, що використовуються для стабілізації частоти радіопередавача; електромагнітні хвилі, які утворюють світ і які випромінюють радіопередавачі, а радіоприймачі приймають.

Найважливіші властивості хвиль ми можемо вивчити на простих, знайомих нам прикладах. Після цього можна буде сформулювати деякі загальні положення, які будуть справедливі для будь-яких хвиль, де б ми з ними не зустрілися.

Одна їх властивість відразу ж очевидна. Подібно будь-якому об’єкту, що рухається рухомі хвилі несуть енергію від однієї точки до іншої.

Електромагнітні хвилі світла і тепла, що приходять на Землю від Сонця, мають потужність близько одного кіловата на квадратний метр. Сонячні батареї можуть перетворити приблизно одну десяту падаючої на них сонячної енергії в електричну енергію, за допомогою сонячних батарей енергія сонячних променів живить супутники зв'язку та інші космічні апарати. На зеленіючих полях енергія електромагнітних хвиль Сонця перетворюється в хімічну енергію рослин. При спалюванні дерева або вугілля ми звільняємо цю енергію і користуємося нею. Телецентр випромінює електромагнітних хвилі, потужність яких становить десятки тисяч ват. Кожен з багатьох телевізорів вловлює дуже малу частку цієї енергії, що передається. Морські хвилі б'ються об берег з величезною силою; при штормі пересуваються камені вагою у тонни. Потужність же звукових хвиль людського голосу вельми незначна. У всіх цих випадках хвилі переносять енергію від однієї точки до іншої, хоча величина перенесеної енергії у всіх випадках різна.

Подібно речовині, що рухається, хвилі володіють імпульсом. При поглинанні або відображенні хвиль тілом вони штовхають його. Імпульс хвиль зазвичай не так помітний, як їх енергія.

Для поширення хвилі від однієї точки до іншої потрібен певний час. Це означає, що хвилі мають кінцеву швидкість. Світлові хвилі рухаються дуже швидко, зі швидкістю 300 000 кілометрів на секунду. Звукові хвилі, що приходять до нас через повітря, рухаються більш повільно - зі швидкістю близько 1240 кілометрів на годину, або 344 метра в секунду. У воді і в твердих тілах звук розповсюджується з більшою швидкістю.

Енергія, імпульс і швидкість – найважливіші характеристики хвиль. Ще одна, воістину дивовижна властивість, виявляється у багатьох видів хвиль, - це лінійність.

Якщо кинути в ставок два камінчики, то кола від них не впливають один на одного. Одна група хвиль без змін проходить через іншу. Картина хвиль, що взаємоперетинаються може здатися складною, але вони дійсно являють собою незалежні групи розширюючихся кіл. Коли двоє розмовляють між собою, то звукові хвилі їх голосів не відскакують одна від одної, одна проходить крізь іншу. Промені слабкого світла зірок не відчувають впливу яскравого сонячного сяйва, яке вони перетинають на шляху до нас в нічному небі.

Хвилі, які не впливають на проходження інших хвиль, називаються лінійними хвилями, бо сукупність таких хвиль являє собою просту суму цих хвиль, взятих незалежно. Якщо дві лінійні хвилі з гребенями висотою Н1 і Н2 сходяться, то найбільша висота буде просто Н1 + Н2 - Лінійне співвідношення. Лінійна хвиля заввишки 2Н - це те ж саме, що дві лінійні хвилі висотою Н кожна, існує в тому ж місці і в той же час. Швидкість лінійних хвиль не залежить від їх висоти або напруженості, бо хвиля великої амплітуди може розглядатися просто як сума хвиль малої амплітуди.

Строго лінійних хвиль мало. Багато хвиль (звукові, наприклад) настільки близькі до лінійних при звичайних їх інтенсивності, що ми отримаємо майже зовсім точний результат, оперуючи з ними так, ніби вони лінійні.