分貝儀APP在共鳴管測聲速中的應用

楊文婷

(山西科技學院,山西 晉城 048011)

聲波是一種在彈性介質中傳播的機械波,振動方向與傳播方向一致,是一種縱波,在遇到不同介質時會發生反射及透射,聲波測量在定位、探傷、測距應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,當共鳴管內的空氣在某個頻率振動與聲源振動頻率一致時就會產生共振現象。

隨著科技的不斷發展,越來越多的測量工具及設備被應用于聲波測量中。對于分貝儀APP在共鳴管測聲速中的應用研究較少。傳統的測量方法需要使用耳朵聽聲音的最大時刻,但多組共鳴管的聲音互相影響,導致測量結果不準確。隨著智能手機的普及,很多測量都可通過手機應用程序來實現。在共鳴管中,當管內空氣柱的長度等于聲波波長的1/4奇數倍時會出現共振現象,使聲波在管內反復傳播,從而求得聲速。分貝儀APP是一款可以通過手機或平板電腦進行聲音測量的APP,可測量聲音的分貝、頻率、波形等參數,并將測量結果保存在設備中。本研究介紹了分貝儀APP在共鳴管測量中的應用,通過實驗驗證其可行性及準確性。

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生反射,入射波與反射波在空氣柱中干涉,調節空氣柱的長度L,當其與波長λ滿足L=(2n+1)λ/4(n=1,2,3,…),將形成管口為波腹、水面為波節的駐波,共鳴管內的空氣柱與聲源產生共振,聲音最響。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experiment facility

設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之間滿足關系:

υ=λf

(2)

聯立(1)、(2)兩式,得

υ=2ΔLf

根據上式,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 實驗步驟及注意事項

1)實驗器材:共振源、共鳴管、裝有分貝儀APP的手機一部。

2)實驗步驟:為了驗證分貝儀APP在共鳴管測聲速中的可行性及準確性進行了一系列實驗。安裝好實驗儀器,向蓄水桶內注水,調節儀器水面高度直到管內水面接近管口為止。①調節喇叭,使喇叭的振動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,調節好頻率為400 Hz。移動蓄水桶,使共鳴管內水位緩慢下降。②聽到第一次共鳴時記下此時水面位置L1,反復測3次,求平均。繼續使管內水位下降,測得聽到第二次共鳴時水面的位置L2。③將共鳴管端口對準分貝儀APP的麥克風,重復②步驟,觀察分貝儀APP上顯示的分貝值。如圖2所示,當分貝值顯示最大時即達到共鳴。分別記下兩次分貝值最大時水面的位置L1與L2。④改變共振源的輸出頻率為500 Hz、600 Hz,重復上述操作。

圖2 分貝儀APP手機界面Fig.2 Interface of decibel meter APP mobile

3)實驗注意事項:分貝儀APP必須在裝有麥克風的設備上使用,如手機或平板電腦等。測量聲速前,檢查共鳴管中的水流是否通暢。測量時必須確保環境噪聲盡可能小,避免人和其他物體的靠近及干擾。調節液面高度時不能超過管口處喇叭高度,以免損壞喇叭電極。分貝儀APP應被放置在一定距離內,避免近距離接觸振動區域干擾測量的準確性。操作前仔細閱讀分貝儀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,應完全關閉分貝儀APP,妥善保存好數據及測量記錄。

3 實驗數據處理與結果分析

3.1 實驗數據與處理

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

表1 使用耳朵的數據記錄與處理Tab.1 Recording and processing of ear utilization

表2 使用分貝儀APP的數據記錄與處理Tab.2 Recording and processing of decibel meter APP utilization

室溫為15 ℃的聲速理論值為340 m/s,計算各個頻率下測得的相對誤差:

室溫為15 ℃聲速理論值為340 m/s,計算各個頻率下測得的相對誤差:

3.2 結果分析

從圖3可以看出,在各個頻率下測聲速,使用分貝儀APP測得結果的相對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在共鳴管測聲速實驗中的使用得到了認可,這個APP很容易上手,使用方便,測量精度高,實驗中得到的數據與理論值比較接近。通過調整麥克風方向及使用軟件的噪聲抑制功能能夠得到比較準確的測量結果。測量聲音時,要注意把手機放置在遠離共鳴管的地方,以避免振動影響測量結果。保證實驗中各個步驟的準確性,尤其是關于共鳴管的水面位置記錄。使用此APP進行實驗,可以更好地了解了共鳴管及聲速原理,通過實際操作體驗測量過程。

4 分貝儀APP的優勢

分貝儀APP在共鳴管測聲速中的應用具有以下優勢:①方便快捷。只需一部智能手機和一個共鳴管即可進行聲速測量,無需額外的設備及工具。②精度高。在嘈雜的實驗室中,分貝儀APP可實現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,只需將手機靠近共鳴管啟動APP即可開始測量,無需使用復雜的實驗儀器及計算公式,不需要專業人員進行操作,非常方便。④數據可視化。可將測量結果以圖表形式展示,使用戶更直觀地獲取測量結果,實時監測共鳴管中的聲音變化,幫助用戶進行調整及優化,通過對聲音的監測及分析,可及時發現問題并進行處理,從而提高共鳴管的音質及效果。⑤自動儲存數據。分貝儀APP可記錄并保存測量數據,方便用戶比較分析,通過對不同數據的比較,了解共鳴管的聲音變化趨勢,并進行相應的調整及改進。

5 結束語

通過實驗驗證了分貝儀APP的可靠性及準確性。其可方便地測量共鳴管中的聲速,在多人實驗的嘈雜環境中獲取準確結果,在共鳴管測聲速中的應用為聲學實驗提供了一種便捷、高效、精確的測量方法,可測量共鳴管中不同頻率下共鳴時的水面位置并進行數據處理,計算出對應的聲速,用于聲學教學、科研及工程領域,對于聲學研究及應用具有重要意義[3]。無需專業的高精度測量儀器,只需使用移動設備上的分貝儀APP即可完成測量,節省了測量成本及時間,便于開展移動式聲速測量。