劉熹微，馬成長，易偉松

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展，大中城市高層建筑林立，電梯成為不可或缺的垂直交通工具。除安全性和可靠性是電梯首要考慮因素以外，乘坐舒適度也逐漸成為民眾關(guān)注焦點[1]。多個居民反映，乘坐某棟樓1#電梯經(jīng)常產(chǎn)生耳鳴，而乘坐該樓2#電梯則沒有耳鳴，這在部分居民中引起一些恐慌。經(jīng)過電梯維修保養(yǎng)公司檢測，該棟樓1#、2#電梯都處于正常工作狀態(tài)。針對這個生活中的問題，文章基于智能手機研究電梯運行物理特性，最終用物理知識解決該疑問，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”。

1 實驗原理

1.1 客觀性耳鳴

耳鳴(tinnitus)分為主觀性耳鳴和客觀性耳鳴。主觀性耳鳴是在外界無相應(yīng)聲源或電(磁)刺激情況下，患者自覺耳內(nèi)或顱內(nèi)有聲音的主觀感受；客觀性耳鳴是外界有客觀刺激源存在的耳鳴[2]。乘坐電梯導(dǎo)致的耳鳴屬于后者，原因是電梯在高速運行過程中，轎廂內(nèi)氣壓發(fā)生變化，耳膜內(nèi)外氣壓不均衡，導(dǎo)致乘客產(chǎn)生耳鳴等不適感[3]。問題在于同一地理位置、同一相對高度、同一型號電梯，乘坐舒適度卻不同，乘坐1#電梯有耳鳴，乘坐而2#電梯卻沒有耳鳴？為探尋兩部電梯乘坐舒適度差異產(chǎn)生原因，文章基于智能手機研究電梯運行物理特性。

1.2 氣壓傳感器與加速度傳感器

隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展進步，各種數(shù)字傳感器廣泛應(yīng)用于手機，使得手機越發(fā)智能，不僅是通信工具，而且更是具有綜合功能的便攜式電子設(shè)備。氣壓傳感器(barometer)對大氣壓強變化敏感，具有許多重要應(yīng)用，包括天氣預(yù)報、室內(nèi)導(dǎo)航、健身追蹤、高度檢測等。加速度傳感器(accelerometer)通過對自身器件所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。

1.3 物理實驗應(yīng)用程序

手機傳感器還需要應(yīng)用程序控制。物理實驗應(yīng)用程序phyphox，由德國亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所開發(fā)，專為利用智能手機完成物理實驗而誕生。通過調(diào)用手機內(nèi)置傳感器，phyphox能夠記錄物理過程，測量物理數(shù)據(jù)，幫助完成物理實驗，涉及力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等多個領(lǐng)域[4]。因為新冠疫情大流行，居家物理實驗盛行，使得phyphox成為下載量最大、使用最普遍的智能手機物理實驗應(yīng)用程序[5]。

2 實驗步驟

2.1 實驗儀器

內(nèi)置氣壓傳感器和加速度傳感器的智能手機一部，安裝最新版phyphox 1.1.8應(yīng)用程序(官方網(wǎng)站https：//phyphox.org)。

2.2 實驗內(nèi)容

(1)小區(qū)該棟45層樓為實驗地點(圖1)，對1#電梯和2#電梯執(zhí)行相同的實驗。

圖1 小區(qū)45層住宅外景

(2)手機置于電梯地板中央，啟動phyphox應(yīng)用程序(圖2)。

圖2 phyphox 應(yīng)用程序界面

(3)選擇“電梯”選項，點擊“開始”圖標，智能手機隨電梯從地面1樓上行到最高層45樓，稍做停頓后再下降到地面1樓，點擊“停止”圖標，結(jié)束數(shù)據(jù)記錄。

(4)截取手機屏幕并導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)等待分析。

3 實驗結(jié)果與討論

利用phyphox應(yīng)用程序的“電梯”選項，測量電梯在整個運行過程中相對高度、垂直速度和軸向加速度隨時間變化情況，對1、2#電梯實驗結(jié)果分別如圖3、4所示。

3.1 電梯運行高度

從圖3、4中可見，1#電梯和2#電梯運行最高相對高度基本一致，約130 m。依據(jù)該樓設(shè)計建造圖紙，樓高45層，層高3 m，電梯運行到最高處為(45-1)×3=132 m，百分偏差為1.5%。圖3中高度曲線的上升沿約54 m處呈現(xiàn)“臺階”形狀，圖3速度曲線和加速度曲線也有相應(yīng)變化，而圖4中沒有觀察到類似“臺階”。這是因為在實驗過程中，1#電梯在19樓有乘客上下，此時電梯高度(19-1)×3=54 m，與“臺階”所處高度一致。由此可見，實驗過程中有乘客上下，不會影響實驗結(jié)果，而且根據(jù)高度曲線中“臺階”所在位置，可以計算出電梯在什么樓層有乘客上下。

圖3 1#電梯高度、速度和加速度實驗結(jié)果

圖4 2#電梯高度、速度和加速度實驗結(jié)果

因為1#電梯和2#電梯運行相對高度基本一致，氣壓變化也基本一致，因此樓層高度不是耳鳴產(chǎn)生的原因。

3.2 電梯運行速度

3.3 電梯運行加速度

1#電梯運行垂直加速度為0.5 m/s2，2#電梯運行垂直加速度為0.4 m/s2，也都符合GB/T10058—2009《電梯技術(shù)條件》規(guī)定“乘客電梯的啟動加速度和制動減速度都應(yīng)該控制在1.5 m/s2以內(nèi)”。但是1#電梯比2#電梯啟動加速度和制動減速度都高25%，即在相同時間內(nèi)，1#電梯垂直速度變化率比2#電梯快25%，導(dǎo)致高度和氣壓變化率差異。此外，由于1#電梯啟動加速度和制動減速度大于2#電梯，因此乘坐1#電梯的超重和失重情況更加嚴重，使乘客產(chǎn)生更強不適感[1]。由此可見，電梯啟動加速度、制動減速度不同是1#電梯產(chǎn)生耳鳴的另一主要原因。

3.4 建議與拓展

綜上所述，盡管該樓電梯都處于正常工作狀態(tài)，符合電梯相關(guān)國家標準和質(zhì)量要求。但是1#電梯運行速度和加速度等物理參數(shù)都高于2#電梯，導(dǎo)致部分耳膜較為敏感住戶在乘坐1#電梯時，產(chǎn)生輕微耳鳴現(xiàn)象。將實驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果反饋給物業(yè)和電梯維修保養(yǎng)公司，并建議將1#電梯運行參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。當(dāng)兩部電梯運行參數(shù)一致時，抱怨乘坐1#電梯產(chǎn)生耳鳴的情況顯著減少。

當(dāng)氣壓急劇變化時(如高速電梯運行、飛機起飛降落、高鐵通過隧道、開車上下山等)，乘客耳膜內(nèi)外氣壓不平衡超過不適閾值，就可能導(dǎo)致耳鳴，因此客觀性耳鳴是人體對物理規(guī)律的正常生理反應(yīng)。工程人員可以采用氣壓變化調(diào)節(jié)技術(shù)，降低耳鳴產(chǎn)生刺激源的不利影響，提高交通工具乘坐舒適性[3]。當(dāng)耳鳴產(chǎn)生時，乘客可以佩戴耳塞，張開嘴巴深呼吸，打哈欠甚至開口講話等都能緩解耳部不適。如果因為緊張而緊閉嘴巴、屏住呼吸，耳鳴癥狀將加劇[2]。

在新冠疫情防控期間，“基于智能手機研究電梯運行物理特性”也成為居家物理實驗項目。通過該項目探索研究，學(xué)生加深了對熱學(xué)和運動學(xué)知識的理解。研究生活中物理問題，既增強了物理實驗趣味性，又激發(fā)了學(xué)生探究欲望。利用智能手機開展物理實驗和教學(xué)的例子還有很多[7-9]，教師和學(xué)生可以根據(jù)自己的觀察和思考，不斷拓展智能手機在物理實驗領(lǐng)域的應(yīng)用。

4 總 結(jié)

針對乘坐電梯產(chǎn)生耳鳴的問題，基于智能手機氣壓傳感器、加速度傳感器和物理實驗應(yīng)用程序phyphox，對高層建筑電梯運行物理特性進行研究，結(jié)果表明電梯運行速度和加速度過大，導(dǎo)致氣壓的變化幅度及變化速率超過閾值范圍，導(dǎo)致部分耳膜較為敏感住戶產(chǎn)生耳鳴現(xiàn)象。在電梯維修保養(yǎng)公司調(diào)整優(yōu)化電梯運行參數(shù)以后，該問題得到圓滿解決，體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”。