陳丹慧 葉澤波 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東廣州 510006)

在物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，聲速的測量與應(yīng)用是非常重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，由于固體介質(zhì)中聲速傳播較快，當(dāng)前對于固體聲速的測量研究較少，中學(xué)物理教材對于固體聲速的探究僅是提及固體能傳聲以及提供一些固體中的聲速參考，沒有開展有關(guān)固體中聲速的測量實(shí)驗(yàn).

對固體聲速的測量，文獻(xiàn)[1]提出利用脈沖光聲技術(shù)測量固體聲速的方法；文獻(xiàn)[2]用駐波法測定固體中的聲速；文獻(xiàn)[3]利用DIS數(shù)字信息系統(tǒng)采集處理聲波信號，從波形圖中得到周期與基頻進(jìn)而計(jì)算固體材料的聲速.已有的學(xué)者測量固體聲速的方法都能巧妙地測得固體聲速，但都需要較為專業(yè)的設(shè)備.

本實(shí)驗(yàn)使用聲卡和Audacity軟件解決了利用時(shí)間差法原理測量聲速實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確測量時(shí)間差的關(guān)鍵問題，僅需普通的耳機(jī)便可實(shí)現(xiàn)在較短距離內(nèi)有效、精確地測得固體材料的聲速.

1 測量原理及方法

1.1 硬件結(jié)構(gòu)和基本原理

本實(shí)驗(yàn)用于測量固體材料聲速的方法是時(shí)間差法，如圖1所示，緊貼著固定且拉緊的固體材料兩端分別放置左右側(cè)耳機(jī)用于拾取聲音信號，在固體材料中的任意位置(非中點(diǎn))進(jìn)行敲擊發(fā)出聲音作為聲源.聲波在固體材料中進(jìn)行傳播，由于聲源(敲擊點(diǎn))與接收裝置處于同一直線上，且聲源到達(dá)兩側(cè)接收裝置的距離不同，因此聲音到達(dá)兩個(gè)接收裝置的時(shí)間有先后之差，若能精確測量得到Δt，利用公式

圖1 時(shí)差法原理圖

(1)

即可求出對應(yīng)該固體材料的聲速，式中d1和d2表示兩耳機(jī)到聲源的距離，Δt為兩聲音信號到達(dá)耳機(jī)的時(shí)間差.

用于聲音采集的是不帶麥克風(fēng)的耳機(jī)，耳機(jī)頭部分與動圈式麥克風(fēng)構(gòu)造原理相同，可直接充當(dāng)麥克風(fēng)使用，無需改造.

1.2 軟件實(shí)現(xiàn)部分

電腦的音頻輸入主要有麥克風(fēng)輸入(mic in)和線路輸入(line in)兩種方式.目前大多數(shù)的電腦麥克風(fēng)輸入接口全都是單通道輸入方式，無法將先后得到的音頻信號分別顯示在兩條音軌上，因此也無法得到時(shí)間差，而聲卡的線路輸入(line in)端口是雙通道輸入[4]，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道分別收集聲音信號.

在時(shí)差法原理測量固體聲速的實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確地測量聲波在固體介質(zhì)中的傳播時(shí)間是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，假設(shè)距離差為2 m,固體聲速為3 000 m/s，可算得傳播時(shí)間約為0.6 ms，因此需要精度非常高的計(jì)時(shí)工具，普通計(jì)算機(jī)的聲卡采樣頻率可以達(dá)到48 000 Hz,即采樣時(shí)間間隔可以達(dá)到0.020 8 ms[5]，精度滿足固體聲速的測量要求.

Audacity軟件是一種免費(fèi)的音頻剪輯軟件，可以將采集到的聲音信號分為左右聲軌顯示,放大音軌即可看出兩個(gè)聲道之間音頻信號及其微小的時(shí)間差.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，將待測固體細(xì)線的兩端分別穿過一次性紙杯杯底，并將一次性紙杯分別固定在鐵架臺上，用耳機(jī)緊貼在固體材料的兩側(cè)用于收集在固體材料中傳播的聲音信號，同時(shí)耳機(jī)插頭插入電腦的線路輸入(Line in)接口，實(shí)時(shí)將收集到的聲音信號分別輸入電腦.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于計(jì)算機(jī)聲卡和Audacity軟件，利用時(shí)差法原理測量不銹鋼線、T2型紫銅線、H59型黃銅線3種固體材料中的聲速，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值進(jìn)行比較從而驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性.

(1)選取適當(dāng)長度的待測固體細(xì)線，將其穿過一次性杯子底部，固定在鐵架臺上，并測量其長度(注意鐵架臺需要放置于不同桌面上，以減少其他途徑的傳播帶來對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響).

(2)將用于拾取聲音的左右兩側(cè)耳機(jī)緊貼固定于固體材料兩側(cè)，插頭接入電腦計(jì)算機(jī)聲卡輸入插孔，打開Audacity軟件做好聲音采集準(zhǔn)備.

(3)點(diǎn)擊Audacity軟件的錄制按鈕，在與固體材料一側(cè)距離d1處用力地敲擊或彈固體材料，發(fā)出聲音，然后停止錄制.

(4)以波形(dB)為縱坐標(biāo)，顯示采集到的聲音信號，如圖3所示，放大音軌就可以看出左右聲道中兩個(gè)聲音信號之間的時(shí)間差Δt，選取每一次敲擊(或彈)時(shí)兩個(gè)聲音信號的第一個(gè)波形進(jìn)行放大(圖4)并讀出時(shí)間差Δt(由于后面的聲音易受干擾，因此選擇第一個(gè)波形).

圖3 左右聲道聲音信號采集圖

圖4 聲音信號局部放大圖

(5)改變d1，重復(fù)步驟(3)和(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，即可得到對應(yīng)的時(shí)間差，利用式(1)可以得到聲速.

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 不銹鋼線

選取不銹鋼細(xì)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 不銹鋼細(xì)線中聲速測量數(shù)據(jù)表

4.2 T2型紫銅

選取T2型紫銅細(xì)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 T2型紫銅細(xì)線中聲速測量數(shù)據(jù)表

4.3 H59型黃銅線

選取H59型黃鋼細(xì)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 H59型黃銅細(xì)線中聲速測量數(shù)據(jù)表

將測得的各種固體細(xì)線聲速與文獻(xiàn)[6]中列出的不銹鋼、紫銅、黃銅中的聲速理論值(v不銹鋼理論=5 000 m/s，v紫銅理論=3 750 m/s和v黃銅理論=3 480 m/s)比較，結(jié)果在正常誤差范圍內(nèi)，說明了該方法的正確性；對同一材料的不同距離差進(jìn)行多次測量，所測得的聲速基本相同，相對誤差總體不超過5.5%，說明該方法的精確性.

利用電腦聲卡和Audacity軟件測量固體聲速的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了簡單的軟件測量固體聲速，與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有利用其他專業(yè)工具測得的固體聲速結(jié)果相比，兩者準(zhǔn)確性相當(dāng)，但前者可行性更高，適合不具備專業(yè)條件的中學(xué)開展相關(guān)的探究和實(shí)驗(yàn).

5 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)利用時(shí)間差法原理，結(jié)合電腦的聲卡輸入和Audacity軟件得到精確的時(shí)間差，計(jì)算得到304不銹鋼線、H59型黃銅線、T2型紫銅線等3種不同固體細(xì)線材料中的聲速，實(shí)驗(yàn)測得的各固體聲速結(jié)果一致性較高，并且各金屬材料的測量值與理論值的相對誤差小于5.5%.基于電腦的聲卡輸入和Audacity軟件的聲速測量方法存在以下特點(diǎn)：直觀的圖像可以使學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)取材與操作簡單，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果準(zhǔn)確.