ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ «ШКОЛА № 000 ИМЕНИ ГЕНЕРАЛА Д. Ф. АЛЕКСЕЕВА»
124498, г. Москва, Зеленоград, ул. Березовая аллея, д. 8А
телефон 8 (499)735-45-31 e –mail: *****@***mos. ru http://sch1353zg. mskobr. ru
Регистратор активности объектов в водной среде на основе эффекта Доплера
ПРОЕКТ
Исполнитель:
Клюканов Егор Станиславович,
учащийся 9 класса.
Руководители проекта:
Доцент КТН НИУ МИЭТ;
,
учитель физики ГБОУ Школа № 000.
Зеленоград
2018
Оглавление
Введение 3 стр. Основная часть Теоретическая часть. 5 стр. Доплерография. Эффект Доплера. Применение эффекта Доплера Ультразвук и его применение Практическая часть 11 стр. Структурная и функциональная схема регистратора Сборка макетного образца регистратора Характеристики прибора Критерии проекта Результаты 13 стр. Тестирование работы регистратора и его применение Вывод 14 стр. Список литературы 15 стр.
Введение
Что может быть лучшие, чем свежий воздух, великолепные, местами захватывающие, виды гор, рек, озер? Весь день в движении, познавая новые красивые места, ночевки в палатках, песни у костра под открытым небом, и все это наедине с природой, без цивилизации, с рюкзаками за спиной. К тому же это не только очень красиво и увлекательно, но еще и очень полезно. Совсем недавно ученые установили одну интересную закономерность – для поддержания психического здоровья в нормальном состоянии, человеку просто необходимо 200 часов в год проводить на природе. Это совсем немного – всего три выходных дня в месяц.
Сегодня походы становятся все более популярными. Лес, горы, река, озера приносят спокойствие. Здесь можно почувствовать себя умиротворенно, вдали от населенных пунктов, от телевизора, компьютера. Но главное – правильно организовать поход. Продумать все до мелочей. Не забыть взять все необходимое, в том числе и то, что поможет справиться с проблемой добычи еды. А в условиях похода рыбная ловля это наиболее доступным способом обеспечить себя продуктом питания.
Но рыбалка является довольно сложным процессом и неопытному туристу не всегда получается обеспечить лагерь едой. Рыболовы-любители знают много тонкостей этого процесса и главное они знают, когда рыба наиболее активна, когда и где «клев» хороший.
Так как я не являюсь опытным рыболовом, и мне не хочется просиживать лишнее время с удочкой на берегу в ожидании «клева», я решил собрать прибор, который бы сообщил мне о повышении активности рыб под берегом и помог мне сориентироваться, когда и где надо поставить удочку.
Используя этот прибор можно проводить различные исследования повадок обитателей водоемов, аквариумов.
Цель проекта: создание макетного образца регистратора активности объектов в водной среде на основе эффекта Доплера, который может быть использован как наглядное пособие на уроках физики при изучении волновых явлений и для исследования поведения обитателей различных водоемов.
Задачи:
1) исследовать материал по теме «Допплерография. Эффект Доплера. Применение эффекта»;
2) изучить принцип работы и устройство ультразвуковых регистраторов;
3) разработать структурную и функциональную схему регистратора;
4) собрать макетный образец регистратора активности объектов в водной среде, работающего на основе эффекта Доплера;
5) протестировать работу собранного устройства.
Основная часть Теоретическая часть. Доплерография. Эффект Доплера.
Доплерография – одна из самых изящных инструментальных методик. Она основана на эффекте Доплера названном так по имени австрийского ученого – физика и астронома. Этот эффект состоит в изменении длины волны (или частоты) при движении источника волн относительно принимающего их устройства[1]. Например, из опыта известно, что тон гудка поезда повышается по мере его приближения к платформе и понижается при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемника (уха) изменяет частоту принимаемых колебаний.
Для рассмотрения эффекта Доплера предположим, что источник и приемник звука движутся вдоль соединяющей их прямой; vист и vпр — соответственно скорости движения источника и приемника.
Доплеровское смещение излучаемой частоты при неподвижном излучателе и движущемся приёмнике
- интервал наблюдения
- скорость распространения ультразвука в воде
- скорость приёмника в направлении на излучатель (передатчику)
Длина интервала оси 
, с которого приёмник воспримет колебания
Число волн, воспринятых приёмником
Частота сигнала, принимаемая движущимся приёмником
Доплеровское смещение излучаемой частоты при подвижном излучателе и неподвижном приёмнике
- интервал наблюдения
- скорость распространения ультразвука в воде
- скорость излучателя в направлении на приёмник
- число волн в посылке
- координата переднего фронта волновой посылки
- координата заднего фронта волновой посылки
- длина волновой посылки
- длина волны в посылке
- частота сигнала, принимаемая неподвижным приёмником.
Доплеровское смещение излучаемой частоты при переотражении сигнала движущимся объектом
При выполнении условия 
- Доплеровское смещение частоты.
1.1.2. Применение эффекта Доплера
С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа) [3].
Поскольку человеческое тело состоит сплошь из жидкостей, скорость которых можно измерить, эффект Доплера широко используется и в медицине, чтобы измерять скорость кровотока, скорость движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.
Во всем мире данное явление используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран[3].
Радиолокация – это определение местоположения объекта, обычно самолета или ракеты, путем облучения его высокочастотными радиоволнами и последующей регистрации отраженного сигнала. Если объект движется с большой скоростью в направлении радиолокатора или от него, то сигнал будет принят со значительным доплеровским сдвигом частоты, и по этому сдвигу можно вычислить скорость объекта. Точно так же доплеровский сдвиг частоты ультразвукового сигнала используется для определения скорости движения подводных лодок.
Эффект Доплера также лежит в основе работы автосигнализации, которая действует для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля.
Эффект Доплера в акустике объясняется тем, что частота колебаний, воспринимаемых приемником, определяется скоростями движения источника колебаний и приемника относительно среды, в которой происходит распространение звуковых волн. Эффект Доплера наблюдается также и при движении относительно друг друга источника и приемника электромагнитных волн. Так как особой среды, служащей носителем электромагнитных волн, не существует, то частота световых волн, воспринимаемых приемником (наблюдателем), определяется только относительной скоростью источника и приемника (наблюдателя). Закономерности эффекта Доплера для электромагнитных волн устанавливаются на основе специальной теории относительности[3].
1.1.3. Ультразвук и его применение
По своей природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука. Однако ультразвук, обладая высокими частотами (n>20 кГц) и, следовательно, малыми длинами волн, характеризуется особыми свойствами, что позволяет выделить его в отдельный класс явлений. Из-за малых длин волн ультразвуковые волны, как и свет, могут быть получены в виде строго направленных пучков. Для генерации ультразвука используются в основном обратный пьезоэлектрический эффект – способность кристаллов и керамики деформироваться под действием приложенного электрического напряжения. Под действием переменного напряжения кристаллы и керамика периодически деформируются, т. е. возникают механические колебания и образуются УЗ-волны. Пьезоэлектрический эффект обратим: УЗ-волны вызывают деформацию пьезоэлектрического кристалла, которая сопровождается возникновением электрического напряжения, поддающегося измерению. Таким образом, пьезоэлектрические материалы служат как генераторами УЗ-волн, так и их приемниками. [2].
Если пропускать ультразвуковой сигнал через исследуемую деталь, то можно обнаружить в ней дефекты по характерному рассеянию пучка и по появлению ультразвуковой тени. На этом принципе создана целая отрасль техники — ультразвуковая дефектоскопия, начало которой положено (1897—1957). Применение ультразвука легло также в основу новой области акустики — акустоэлектроники, позволяющей на ее основе разрабатывать приборы для обработки сигнальной информации в микрорадиозлектронике[2].
1.1.4. Принцип работы ультразвукового регистратора движущихся объектов
Принцип работы ультразвукового регистратора движущихся объектов представлен на рисунке:
Ультразвуковой регистратор фиксирует изменение частоты сигнала, отражённого от объекта (доплеровское смещение частоты). По изменению частоты вычисляется можно судить о скорости объекта.
Обработка сигналов
- базовая формула
Практическая часть Структурная и функциональная схема регистратора
Изучив все вышеперечисленные материалы, я решил собрать макетный образец регистратора активности объектов в водной среде, работающего на основе эффекта Доплера используя следующую разработанную структурную схему:
Для создания своей модели ультразвукового регистратора активности объектов использовал следующую функциональную схему. Генератор создает электрические колебания с частотой 8МГц. Для получения ультразвука используется пьезоэлектрический эффект – способность керамики деформироваться под действием приложенного электрического напряжения. Под действием переменного напряжения керамика периодически деформируются, т. е. возникают механические колебания и образуются УЗ-волны. УЗ-волны отражаются от объекта и вызывают деформацию пьезокерамического приемника, которая сопровождается возникновением электрического напряжения. В умножителе преобразуются электрические колебания высокой частоты в колебания низких и звуковых частот. После прохождения через Фильтр Низкой Частоты остаются электрические колебания звуковой частоты, которые подаются на динамик.
Общая цена собранного прибора составила 1500р.Характеристики прибора
Частота излучения - 8 мГц
Дальность регистрации объекта - 50 см
Масса – 300г.
Размеры - 100 x 60 x 30 мм
Потребляемая мощность от источника напряжения 8 В - 150 мВт.
Критерии проектаПри успешно проведенных тестированиях устройства мне удалось понять главные критерии результативности.
Устройство:
- должно звуковым сигналом реагировать на движущийся объект;
- должно изменять тон звукового сигнала при различных скоростях исследуемых объектов;
- должно работать без помощи человека, самостоятельно захватывая исследуемый объект;
- должно быть компактным и удобным в использовании;
- должно быть дешевым.
Результаты Тестирование работы регистратора и его применение
Работа регистра активности объектов проверялась на небольшом сосуде с водой, где находились тела разного размера и из разных веществ.
Регистратор звуковым сигналом оповещал присутствие тела в воде. При движении тела изменял высоту издаваемого звука. При увеличении активности движения в сосуде, за счет перемешивания воды, создавал все более интенсивные звуковые волны.
По результатам проведённых экспериментов можно сделать вывод, что собранный макет хорошо определяет активность объектов в водной среде. И может применяться как удобное устройство при изучениях поведения обитателей различных водоемов или аквариумов. Может легко определять активность рыб в реке, что сделает процессы рыбной ловли менее временно-затратным, интересным и удачным. Также это устройство может применяться на уроках физики при изучении звуковых явлений.
Вывод
Результатом работы стал макетный образец регистратора активности объектов в водной среде, работающий на основе эффекта Доплера. Данное устройство является полезным техническим приспособлением при исследованиях поведений обитателей водоемов, особенно в условиях рыбалки, так как позволяет этот процесс значительно упростить и сократить по времени, а также является эффектным демонстрационным прибором на уроках физики, использование которого даст возможность повысить познавательную активность учащихся и процесс обучения сделать наглядным, понятным, интересным.
5. Список литературы
1. Сайт: https:///12x49da. html
2. Сайт: http://poznayka. org/s93288t1.html
3. Сайт: https:///11_57903_akusticheskiy-effekt-doplera. html
4. Физика 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013.
5. , , Физика. 10 класс. Учебник. М.: Просвещение, 2010.
