声音接收器激发效果特性研究

张平，王乐新，李庆达，刘艳萍，朱文霞

（1.黑龙江八一农垦大学理学院，大庆163319；2.黑龙江八一农垦大学工程学院；3.大庆大丰能源科技服务有限公司）

声音接收器激发效果特性研究

张平1，王乐新1，李庆达2，刘艳萍3，朱文霞1

（1.黑龙江八一农垦大学理学院，大庆163319；2.黑龙江八一农垦大学工程学院；3.大庆大丰能源科技服务有限公司）

利用控制变量法，研究了声源振幅、频率以及距离对声音接收器激发效果的影响。结果表明，振幅增大会使声音接收器激发效果值升高，但增速逐渐减缓；声源频率升高会使激发效果值先增大后减小，呈现“单峰性”；声源和声音接收器间距离增大时激发效果值会逐渐降低。影响声音接收器激发效果的根本原因是声音的性质及声音接收器的结构特点。如果将研究成果合理应用能在“销”和“售”两方面激发市场的活力。

振幅；频率；距离；应用

世界上声音无处不在，从水中的鱼类到陆地上的哺乳动物，从地球深处的火山源头到天空中的飞机和飞鸟……都能发出各自独特的声音，这些声音有的我们能听到，有的则超出了我们的听觉范围。为了更有效地让各种声音为人类服务，我们发明了各种各样的声音接收器：手机话筒、会议室的麦克风、深海里聆听鲸鱼交流的次声波接收器［1］、研究蝙蝠的超声波接收器［2］、各种场合的声控延时开关［3］等等。为了能让声音更好地为人类服务，人们做了许多关于声音接收器的研究：有基于仿生目标声音识别的研究［4］，有关于声音识别算法的研究［5-6］等等，但关于声音接收器激发效果和声源特性之间的研究还相对较少。如果找到声音接收器激发效果特性的具体影响因素，一方面有助于声音接收器的设计研究，另一方面能为消费者选购指明方向。为了找寻声音接收器激发效果特性的影响因素，通过实验来研究分析。

1 实验研究

实验系统主要由信号发生器、扬声器、SKD5声控LED旋律灯和照度计四部分组成。实验中保持四者位置不变，通过调节频率和电压来改变扬声器声音的音调和响度，声控灯接收到扬声器的声音信号后开始发光，照度计记录光强数据。实验仪器组合图如图（1）所示：

图1 实验仪器组合图Fig.1The diagram of the instrument combination

实验的核心部分为SKD5声控LED旋律灯，其详细电路图如图（2）所示：主要由电源电路、话筒放大电路、LED发光电路组成。电源由J1输入，C1滤波供电路使用。MK1将声音信号转化为电信号，经C2耦合到Q2放大，放大后的信号送到Q1基极，由Q1驱动5只LED发光，在阈值范围内声响越大LED灯越亮。

图2 SKD5声控LED旋律灯电路图Fig.2The circuit diagram of SKD5 sound control LED melody light

1.1 激发效果与振幅之间的关系

利用控制变量法，先保持频率不变，调整电压的大小改变声音的振幅，观测并记录光强值。由于人正常说话频率大致在200～600 Hz间［7］，实验中选取250、280、360、410、460和550 Hz几组频率进行实验，结果如图3～8所示：

图3～8走势表明，当频率保持恒定时，随着振幅增大，激发效果值逐渐升高，但电压增大到一定程度以后光强不再随着电压增大继续增强，即光强会达到最大值，究其原因主要有：（1）任何声音接收器都是通过震动膜的震动来接收，当震动膜振幅达到自身的限值后无法再继续增大。（2）实验中声控灯的亮度有最大值，达到最亮后光强增长随即停止。

图3 频率f=250 Hz时光强和电压之间的关系Fig.3Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 250 Hz

图4 频率f=280 Hz时光强和电压之间的关系Fig.4Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 280 Hz

图5 频率f=360 Hz时光强和电压之间的关系Fig.5Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 360 Hz

图6 频率f=410 Hz时光强和电压之间的关系Fig.6Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 410 Hz

图7 频率f=460 Hz时光强和电压之间的关系Fig.7Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 460 Hz

图8 频率f=550 Hz时光强和电压之间的关系Fig.8Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 550 Hz

1.2 激发效果与频率之间的关系

研究频率对光强影响时保持电压不变，调节频率变化，观察并记录光强。由于实验中电压在1.8～3.5 V时声控灯能更容易处于激发状态，因此选取电压为2.0 V、3.0 V两组数据进行实验，结果如图9～10所示：

图9 电压U=2.0 V时光强和频率之间的关系Fig.9Relationship of light intensity and frequency when the voltage was 2.0 V

图10 电压U=3.0 V时光强和频率之间的关系Fig.10Relationship of light intensity and frequency when the voltage was 3.0 V

图9～10图像走势表明，在振幅保持恒定时声音的激发效果值开始随着频率升高而增大，但增长速度逐渐变缓，当到达某个临界值后开始降低，即呈现“单峰性”。原因为：声音接收器的震动膜做的是受迫振动，根据受迫振动的特点［8］可知，当声音的驱动频率和震动膜固有频率接近时激发效果升高，反之降低。次声波和超声波激发声控灯或者其他普通声音接收器时很难有好的效果原因就在于此。

1.3 激发效果与声源距离之间的关系

声音接收器激发效果除了和声源特性有关外还和声控灯与声源之间距离有关，为了研究激发效果和声源距离之间的关系，维持声源振幅和频率恒定不变。根据1.1～1.2的实验结果，为了让声控灯处于最佳激发状态，电压取3 V、频率取280 Hz，调整声源与声控灯之间的距离并记录光强值，结果如图11所示：

图11 光强和声源距离之间的关系Fig.11Relationship of light intensity and sound source distance

实验结果表明：随着距离增大，开始时声控灯激发效果值几乎不变，但当距离大到一定值以后声控灯激发效果值会随着距离增大不断减小。产生的原因为：开始阶段激发效果值几乎不变是因为在此距离范围内声音能量足够强使得声控灯的震动膜处于极限震动状态，声控灯光强能保持在最大值附近，当距离进一步增大后由于声控灯接收到的声音能量减弱，声控灯震动膜振幅减小，声控灯光强降低。

2 结果分析和讨论

为了便于横向研究比较，将图3～8实验结果置于同一个坐标系中，如图12所示。从图中可以看出虽然各条曲线走势相同，但对应电压同一数值时不同频率下光强值不同，频率等于280 Hz时光强值高于其他频率时的光强值，从侧面表现出了光强随频率增长出现的“先增后减”趋势。

图12 不同频率时激发效果对比图Fig.12Excitation effect different frequencies comparison chart

为了从“光强-频率”走势图中得出激发效果随电压的变化趋势，将图9～10置于同一坐标系如图13所示，容易发现如下规律：频率相同时3 V电压对应的光强比2 V电压对应的光强要大，即光强随着电压增大而增长。

通过横向比较研究发现从“光强-频率”图中能得出光强随电压的变化规律，同样在“光强-电压”曲线之间比较也能发现光强和频率之间的关系。两个实验相辅相成，共同揭示了声控灯的激发效果随振幅、频率变化的规律。

众所周知，声波在传播过程中能量会逐渐降低，如果声源和声音接收器之间距离过大，即使声音接收器设计符合声源的振幅和频率要求也无法取得良好的效果。因此保持足够近的距离是声音接收器能够正常工作的一个重要前提。

图13 不同电压时激发效果对比图Fig.13Excitation effect of different voltages comparison chart

3 应用前景

市场规律的核心内容是：企业以市场需求情况、产品销售情况来确定资源配置和产品生产，并通过市场最终获取经济效益。商家要想让自己的产品在市场上占有一席之地，一个重要的先决条件就是产品必须能满足消费者的需要［9-10］。要让消费者能够认知自己的产品，这里所谓的“认知”包括三层：视觉上的美观、功能上的易用、情感上的依赖［11］，在这三个层面里“功能上的易用”尤其重要，如果功能不能满足消费者要求，其他因素做的再好也是无稽之谈。因此设计者在设计声音接收器时必须要先考察使用环境声音的响度、音调及安放位置等要素，这样才能更好地服务于客户。声音响度和音调决定于声音的振幅和频率，如果在设计产品之前先了解了声音接收器激发效果和振幅、频率及接收器和声源距离之间的关系，将会使设计效果达到最佳状态。

改革开放以后，我国生产力飞速发展，市场上各种商品琳琅满目，近些年来随着淘宝、京东等网络市场的兴起，广大消费者在足不出户的情况下就能浏览到自己喜欢的商品。同时消费者需要学会“慧眼识金”，在众多商品中挑选出适合自己的款式。“适合”除了指外形、颜色等方面外，实用效果是重中之重的方面。消费者在选择麦克风等声音接收器的时候需要先了解自己的使用环境，然后选择最适合自己的产品。许多歌星都有自己的专用麦克风，就是因为每个歌星声音的振幅、频率分布各不相同，找到最容易受自己嗓音激发的款式，才能更好地展现自己声音的魅力。

因此掌握声音接收器的激发特性，会使设计者的产品更受欢迎，使消费者选择时更加自如。买卖双方同时受益的同时，就会激发市场的活力。

4 结束语

综上所述，声音接收器的激发效果值随着振幅增大而增长，但增长速度逐渐减缓；随着频率的增大，声音接收器激发效果值会先增长后降低，呈现“单峰性”，其原因主要是任何声音接收器的震动膜都有固有频率，震动膜共振曲线和实验中的“单峰曲线”相互印证；由于声波中的能量会随着距离增大而衰减，当声音接收器和声源之间距离增大时激发效果值降低。设计者应考虑声音接收器使用环境而选取不同的材料和设计结构，才能开拓更广阔的市场，而使用者在购买产品之前应先对自己自身情况做一个简单评估然后再去选择，这样才能选出最适合自己的产品。熟知声音接收器激发效果的特性对其应用市场有着实际而深远的影响。

［1］李新欣.船舶及鲸类声信号特征提取和分类识别研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［2］刘洋.蝙蝠听觉和食性相关基因的分子进化研究［D］.上海：华东师范大学，2012.

［3］王俊峰.中国十大行业常用电路［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］张文娟.基于听觉仿生的目标声音识别系统研究［D］.长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2012.

［5］吕霄云.基于MFCC和GMM的异常声音识别算法研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［6］刘晓宇.基于神经网络的声音识别算法研究［D］.北京：北京邮电大学，2014.

［7］董明，刘加，刘润生.快速口音自适应的动态说话人选择性训练［J］.清华大学学报，2005（7）：912-915.

［8］陶湘.从功能关系讨论受迫振动的振幅［J］.大学物理，1994，13（11）：5-8.

［9］潘萍萍.“王加”销售业绩差距原因探析及建言［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2013，25（6）：103-107.

［10］江林.消费者行为学［M］.2版.北京：科学出版社，2006.

［11］郑佳.品牌管理［M］.杭州：浙江大学出版社，2010.

Characteristic Research of Sound Receiver Excitation Effect

Zhang Ping1，Wang Lexin1，Li Qingda2，Liu Yanping3，Zhu Wenxia1
（1.College of Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University；3.Daqing Dafeng Energy Technical Service Limited Company）

Controlling variate method was used to study the relationships between sound receiver excitation effect and sound source amplitude，frequency and distance.The experiment results showed that the value of the excitation effect could be higher with the growth of sound source’s amplitude，but the growth gradually became slow.When the frequency got higher，the value of excitation effect increased firstly but then decreased，and appeared the phenomenon of single peak.The value of excitation effect decresed with the growth of distance between sound source and sound receiver.The root caused that determining the excitation effect were sound source characteristic and the structure of sound receiver.If the research results could be reasonably applied to the marketing and sold two aspects to stimulate the vitality of the market.

amplitude；frequency；distance；application

O4-33

A

1002-2090（2016）04-0135-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.030

2015-09-02

黑龙江八一农垦大学校级教研课题（设计性实验教学模式的探索）；黑龙江八一农垦大学校级教研课题（在幕课背景下，提高学生自主学习大学物理能力的方法研究）；黑龙江省青年科学基金项目（QC2014C058）。

张平（1982-），男，实验师，宁夏大学毕业，现主要从事物理实验设计与创新方面的研究工作。