楊文婷

(山西科技學(xué)院,山西 晉城 048011)

聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波,振動(dòng)方向與傳播方向一致,是一種縱波,在遇到不同介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射及透射,聲波測量在定位、探傷、測距應(yīng)用中具有十分重要的意義[1]。共鳴管是一種常用的測量聲音速度的儀器,當(dāng)共鳴管內(nèi)的空氣在某個(gè)頻率振動(dòng)與聲源振動(dòng)頻率一致時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

隨著科技的不斷發(fā)展,越來越多的測量工具及設(shè)備被應(yīng)用于聲波測量中。對(duì)于分貝儀APP在共鳴管測聲速中的應(yīng)用研究較少。傳統(tǒng)的測量方法需要使用耳朵聽聲音的最大時(shí)刻,但多組共鳴管的聲音互相影響,導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。隨著智能手機(jī)的普及,很多測量都可通過手機(jī)應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。在共鳴管中,當(dāng)管內(nèi)空氣柱的長度等于聲波波長的1/4奇數(shù)倍時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象,使聲波在管內(nèi)反復(fù)傳播,從而求得聲速。分貝儀APP是一款可以通過手機(jī)或平板電腦進(jìn)行聲音測量的APP,可測量聲音的分貝、頻率、波形等參數(shù),并將測量結(jié)果保存在設(shè)備中。本研究介紹了分貝儀APP在共鳴管測量中的應(yīng)用,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性及準(zhǔn)確性。

1 共鳴管測聲速原理

共鳴管是一直立的帶有刻度的透明玻璃管,如圖1所示。移動(dòng)蓄水桶可令管中的水位升降,從而獲得一定長度的空氣柱,聲波沿空氣柱傳播至水面發(fā)生反射,入射波與反射波在空氣柱中干涉,調(diào)節(jié)空氣柱的長度L,當(dāng)其與波長λ滿足L=(2n+1)λ/4(n=1,2,3,…),將形成管口為波腹、水面為波節(jié)的駐波,共鳴管內(nèi)的空氣柱與聲源產(chǎn)生共振,聲音最響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment facility

設(shè)相鄰兩次空氣柱的長度差為ΔL,則:

ΔL=Ln+1-Ln=λ/2

∴λ=2ΔL

(1)

又∵聲源頻率f、波長λ與波速υ之間滿足關(guān)系:

υ=λf

(2)

聯(lián)立(1)、(2)兩式,得

υ=2ΔLf

根據(jù)上式,在頻率f已知情況下,測出ΔL,即可求出空氣中的聲速υ[2]。

2 實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)

1)實(shí)驗(yàn)器材:共振源、共鳴管、裝有分貝儀APP的手機(jī)一部。

2)實(shí)驗(yàn)步驟:為了驗(yàn)證分貝儀APP在共鳴管測聲速中的可行性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。安裝好實(shí)驗(yàn)儀器,向蓄水桶內(nèi)注水,調(diào)節(jié)儀器水面高度直到管內(nèi)水面接近管口為止。①調(diào)節(jié)喇叭,使喇叭的振動(dòng)平面與水面保持平行。將喇叭輸入線接入到共振源的輸出端口,調(diào)節(jié)好頻率為400 Hz。移動(dòng)蓄水桶,使共鳴管內(nèi)水位緩慢下降。②聽到第一次共鳴時(shí)記下此時(shí)水面位置L1,反復(fù)測3次,求平均。繼續(xù)使管內(nèi)水位下降,測得聽到第二次共鳴時(shí)水面的位置L2。③將共鳴管端口對(duì)準(zhǔn)分貝儀APP的麥克風(fēng),重復(fù)②步驟,觀察分貝儀APP上顯示的分貝值。如圖2所示,當(dāng)分貝值顯示最大時(shí)即達(dá)到共鳴。分別記下兩次分貝值最大時(shí)水面的位置L1與L2。④改變共振源的輸出頻率為500 Hz、600 Hz,重復(fù)上述操作。

圖2 分貝儀APP手機(jī)界面Fig.2 Interface of decibel meter APP mobile

3)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng):分貝儀APP必須在裝有麥克風(fēng)的設(shè)備上使用,如手機(jī)或平板電腦等。測量聲速前,檢查共鳴管中的水流是否通暢。測量時(shí)必須確保環(huán)境噪聲盡可能小,避免人和其他物體的靠近及干擾。調(diào)節(jié)液面高度時(shí)不能超過管口處喇叭高度,以免損壞喇叭電極。分貝儀APP應(yīng)被放置在一定距離內(nèi),避免近距離接觸振動(dòng)區(qū)域干擾測量的準(zhǔn)確性。操作前仔細(xì)閱讀分貝儀APP的用戶使用說明,正確操作測量步驟,避免誤操作及測量失誤。使用完畢后,應(yīng)完全關(guān)閉分貝儀APP,妥善保存好數(shù)據(jù)及測量記錄。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理

在15 ℃的室溫下,分別用耳朵與分貝儀APP測量不同頻率下產(chǎn)生共鳴時(shí)水面的位置并記錄下來,通過計(jì)算得到聲速值,如表1所示。

表1 使用耳朵的數(shù)據(jù)記錄與處理Tab.1 Recording and processing of ear utilization

表2 使用分貝儀APP的數(shù)據(jù)記錄與處理Tab.2 Recording and processing of decibel meter APP utilization

室溫為15 ℃的聲速理論值為340 m/s,計(jì)算各個(gè)頻率下測得的相對(duì)誤差:

室溫為15 ℃聲速理論值為340 m/s,計(jì)算各個(gè)頻率下測得的相對(duì)誤差:

3.2 結(jié)果分析

從圖3可以看出,在各個(gè)頻率下測聲速,使用分貝儀APP測得結(jié)果的相對(duì)誤差都小于使用耳朵。

圖3 不同頻率下使用耳朵與分貝儀APP測量的相對(duì)誤差Fig.3 Relative error measured by ear and decibel meter APP at different frequencies

分貝儀APP在共鳴管測聲速實(shí)驗(yàn)中的使用得到了認(rèn)可,這個(gè)APP很容易上手,使用方便,測量精度高,實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)與理論值比較接近。通過調(diào)整麥克風(fēng)方向及使用軟件的噪聲抑制功能能夠得到比較準(zhǔn)確的測量結(jié)果。測量聲音時(shí),要注意把手機(jī)放置在遠(yuǎn)離共鳴管的地方,以避免振動(dòng)影響測量結(jié)果。保證實(shí)驗(yàn)中各個(gè)步驟的準(zhǔn)確性,尤其是關(guān)于共鳴管的水面位置記錄。使用此APP進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以更好地了解了共鳴管及聲速原理,通過實(shí)際操作體驗(yàn)測量過程。

4 分貝儀APP的優(yōu)勢

分貝儀APP在共鳴管測聲速中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢:①方便快捷。只需一部智能手機(jī)和一個(gè)共鳴管即可進(jìn)行聲速測量,無需額外的設(shè)備及工具。②精度高。在嘈雜的實(shí)驗(yàn)室中,分貝儀APP可實(shí)現(xiàn)高精度的聲音測量及分析,精確測量共鳴管中的聲音分貝,從而確定聲速。這種測量方法非常準(zhǔn)確,不受外界干擾,可提高測量精度及可靠性。③易于操作。分貝儀APP的操作非常簡單,只需將手機(jī)靠近共鳴管啟動(dòng)APP即可開始測量,無需使用復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)儀器及計(jì)算公式,不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作,非常方便。④數(shù)據(jù)可視化?？蓪y量結(jié)果以圖表形式展示,使用戶更直觀地獲取測量結(jié)果,實(shí)時(shí)監(jiān)測共鳴管中的聲音變化,幫助用戶進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化,通過對(duì)聲音的監(jiān)測及分析,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理,從而提高共鳴管的音質(zhì)及效果。⑤自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。分貝儀APP可記錄并保存測量數(shù)據(jù),方便用戶比較分析,通過對(duì)不同數(shù)據(jù)的比較,了解共鳴管的聲音變化趨勢,并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整及改進(jìn)。

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分貝儀APP的可靠性及準(zhǔn)確性。其可方便地測量共鳴管中的聲速,在多人實(shí)驗(yàn)的嘈雜環(huán)境中獲取準(zhǔn)確結(jié)果,在共鳴管測聲速中的應(yīng)用為聲學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一種便捷、高效、精確的測量方法,可測量共鳴管中不同頻率下共鳴時(shí)的水面位置并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的聲速,用于聲學(xué)教學(xué)、科研及工程領(lǐng)域,對(duì)于聲學(xué)研究及應(yīng)用具有重要意義[3]。無需專業(yè)的高精度測量儀器,只需使用移動(dòng)設(shè)備上的分貝儀APP即可完成測量,節(jié)省了測量成本及時(shí)間,便于開展移動(dòng)式聲速測量。