基于DIS系統測定自制音叉振動頻率的研究

侯俊杰 邱泰光 王昆林

(楚雄師范學院物理與電子科學系 云南 楚雄 675000)

音叉振動所發出的聲波是純音，對于純音頻率的測定有多種方法，隨著數字化信息系統(DIS)的問世，對測定其純音聲波的頻率就顯得較為容易了．筆者自制了一只雙叉股音叉，要確定其音叉振動時的頻率．采用微電流傳感器結合DIS數據采集系統，變更測量參量，通過其參量轉換，測定出了該自制音叉的振動頻率．經過比較分析研究，可知測定出的頻率是較為準確的．

1 方案設計

將一根直徑為0.05 mm的漆包銅導線固著在一根有一定強度的細鋁條上，用透明膠布粘貼在音叉的叉股上，漆包線、鋁條、膠布三者的質量之和遠小于音叉的質量，可忽略不計.

如圖1所示,構建好測試系統．將固著有漆包線的一只叉股置于U形磁鐵的勻強磁場中，側向敲擊音叉后，音叉以固有頻率振動帶動漆包線在勻強磁場中振動，切割磁力線產生感應電動勢，從而在閉合漆包線回路中產生微小電流，將微電流傳感器(型號：LW6111， 量程：-1μA ～ +1μA )串聯接入感應回路中，檢測到微小感應電流，此微小電流是振動產生的交變電流，其頻率與叉股的振動頻率是一致的.只要利用微電流傳感器，將所接收到的感應電流傳入計算機中，測定出感應電流的頻率就知道該音叉的振動頻率．為驗證此方法的可行性，先用一只已知固有頻率的標準音叉進行比較性測試研究后，再對自制音叉進行測試．

圖1 音叉頻率測試圖

2 實驗測試

2.1 測量標準音叉振動頻率

將已知頻率為256 Hz的標準音叉，按照圖1構建好測試系統后進行測試．所測得數據見表1.

表1 標準音叉測試數據表

注：選取計算機所獲得的數據，振動音叉采樣圖的某一個波峰，所對應的時間為起始時間T始，往后數到第60個波峰所對應的時間為T末，此時兩個時刻所間隔的時間為60個周期，以下表2與此相同．(f=256 Hz,采樣頻率1 kHz)

絕對誤差

1.763 135 1 Hz

相對誤差

不確定度分析：由于整個實驗的測量數據都由計算機完成，因此在這里就不考慮A類不確定度，故此時考慮計算機計數器本身的誤差，則

則不確定度為

所以待測音叉的頻率

f=(254.236 8±0.001 1) Hz

從實驗中得出，在一定誤差范圍內此方法是可行的．將其數據由DIS系統轉換為圖形顯示模式得到振動頻率圖像，如圖2所示.

圖2 標準音叉測試圖形顯示(采樣頻率1 kHz)

2.2 測量自制音叉的振動頻率

將待測的自制音叉，按照圖1構建好測試系統后進行測試，由于不知道待測音叉的頻率大概在什么范圍，開始先選用了采樣頻率為100 Hz，進行試探性測量后，得到自制音叉的頻率在66 Hz左右，將其轉換為DIS系統圖形顯示模式得到振動頻率圖像,如圖3所示.

圖3 自制音叉測試圖形顯示(采樣頻率100 Hz)

從圖3看出振動頻率圖像發生畸變，其原因是采樣點數不夠，故只要選用更高的采樣頻率，便可得到更多的樣點，繪制出更光滑的圖像．將采樣頻率提高到1 kHz再次進行實驗 ，得到的數據見表2.

表2 自制音叉頻率測定數據表

注：(采樣頻率1 kHz)

不確定度分析：由于兩次測量都采用同一裝置，故對于B類不確定度是相同的,即

則不確定度為

所以待測音叉的頻率

f=66.4452±0.0011 Hz

將其數據轉換為DIS系統圖形顯示模式可得到振動頻率圖像,如圖4所示.

圖4 自制音叉測試圖形顯示(采樣頻率1 kHz)

從所得圖像可以看出：選擇1 kHz采樣頻率時，在音叉振動的一個周期內，可以采集到16個點，得到了光滑連續的圖像，可說明的是，傳感器采樣率的高低雖然會影響到測量得到的圖像 ，但在傳感器的采樣頻率與待測音叉的頻率相匹配情況下，對所測得的結果影響并不大．

3 結束語

綜上可知，通過自制裝置將音叉的振動轉為交變的感應電流，運用DIS數字信息化系統結合微電流傳感器，測出感應電流的頻率從而得到音叉的振動頻率，此種方法不論從理論上還是實際操作中來說都是可行的．需要注意的是其傳感器的采樣頻率與待測音叉的頻率要相匹配．在兩者頻率相匹配的情況下，采樣頻率較高，可采到的樣點較多，繪制出的圖線就較為平滑，測量得到的頻率也較為準確．

1 劉才明.大學物理實驗中測量不確定度的評定與表示.大學物理,1997(8)

2 朱肇瑞，俞云中，劉艷春.創造技法與物理實驗.成都：西南交通大學出版社，1999.107

3 易其順，陳列春，閉劍鋒.利用駐波原理測量音叉頻率.中國現代教育準備，2006(3)

4 易其順，蔣志年，閉劍鋒.利用利薩如圖形測量音叉頻率.大學物理實驗，2005(4)

5 易永,李汀萍.數字信息化系統實驗(DIS)的量化規程.萍鄉高等?？茖W校學報，2008(3)