暖水壶注水过程中的声音音调变化实验研究

张文宇

摘 要：日常生活中，人们向暖水壶等盛水容器中倒水时，会产生一种人耳可辨的声音，且这种声音会随着倒水越来越多而不断变化音调。有经验的人也会通过注水时声调的变化来判断盛水容器是否即将倒满。本次实验目的是希望通过实验研究采集准确的实验数据，来说明暖水壶注水过程中，声音的音调变化确实是随着水面越深，空气柱越来越短而音调不断升高的。

关键词：暖水壶注水；声音；实验研究

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0191-02

为更好地消除环境噪声，采集到低噪声的暖水壶注水声音，本次实验借鉴北京航空航天大学陆士嘉实验室的暑期科技实践开放活动东风，利用D5气动声学风洞的消声室和声学测量设备的远场麦克风，实测暖水壶注水声音，并利用小波分析的数学方法，定量研究暖水壶注水过程中声音音调随时间的变化。然后，以圆形空腔作为暖水壶、水杯、水桶等这一类注水问题中的简化模型，利用运动流体流过不同深度空腔，将产生类似不同声调的腔声现象，来研究注水过程中声音的产生机理及声音的性质。本次实验进一步将暖水壶简化为可变深度的圆形空腔，在北航D5风洞中做了一组不同深度圆腔，其腔声的变化规律实验。

1 实验介绍

1.1 北航D5风洞

北京航空航天大学陆士嘉实验室的1米*1米气动声学风洞（D5风洞）是一座低速、低湍流度、低噪声回流气动声学风洞（如图1）。该风洞的消声室尺寸为7米（高）*6米（长）*6米（宽）。消声室的主要功能是为声学测试提供一个自由声场空间或半自由声场空间。D5风洞实验室为全消声室。

1.2 数据采集设备

本实验采用的是PULSE Labshop系统进行噪声测量与数据采集。PULSE系统是丹麦B&K;公司于1996 年推出的世界上首个噪声、振动多分析仪系统，能同时进行多通道、实时、FFT、CPB、Overal总级值等分析。PULSE系统的平台包括软件、硬件两个部分。数据采集前端如图2所示。

1.3 实验模型

暖水壶注水过程中的實测模型如图3所示。在北航D5风洞消声室中，利用B&K;公司的自由场传声器采集向暖水壶注水过程中声音随时间变化的实验数据。圆形空腔实验模型如图4所示。在北航D5风洞中对四种不同深度的圆形空腔在来流风速为45m/s的情况下，进行实验。圆形空腔的尺寸如下：直径为200mm，深度可变，有50mm，100mm，150mm和200mm四种分别记为C1，C2，C3，C4。见表1。

2 实验结果及分析

2.1 暖水壶注水过程实测结果

人耳听音时就像谐波分析器一样，可把声音的基波和各谐波分解，如1822年提出的傅立叶级数分析方法。该理论对声学发展起了很大作用，是分析声波的最有效工具。因注水过程，音调在发生变换，是一个典型的时域非稳态过程，无法利用傅立叶变化。但是，利用小波变换分析，可以较好的辨析注水过程中主频的变化。

图5暖水壶注水过程中随着时间变化，注水越来越多时，声音强度随频率和时间变化的云图。

由图5可知，前7秒，主频在700Hz，随着时间的推移，主频慢慢增大到1300Hz。因此，小波分析定量的辨析了暖水壶注水过程中主频越来越大的现象，即声音的音调越来越高。这种越来越高音调的原因，是由于暖水壶中空气柱长度发生变换引起的吗？我们进一步做了一组变深度的圆腔实验，试图验证该解释。

2.2 圆腔变深度测量结果

圆形空腔在来流速度为45m/s时的实验结果如图6所示。可见，不同深度圆腔产生的腔声都出现多个峰值，这些峰值对应着不同的声共振模态。这是由于空腔附近的噪声源在空腔内部产生驻波，从而产生一个频率由空腔尺寸决定的共振噪声。当声波在空腔中传播时，会根据空腔的尺寸在深度方向、流向、展向（圆腔就是在径向）上形成驻波，从而放大了噪声形成纯音，因为该现象是纯粹的声学现象，所以纯音频率只与空腔的尺寸有关，与来流速度没有关系。通过查阅文献可知，圆腔声共振特征频率为：

其中λ为径向方向的特征值，N为深度方向的模态，H为空腔深度，D为空腔直径，r为空腔半径。其中，声共振的模态数只能为奇数，即N=1，3，5……，α为修正系数。由此可知，深度的减小将导致频率的增加。本实验结果较好的验证了上述公式。以红色框中选中的频率为例，可以发现随着深度从C4逐渐减小到C1，对应的尖峰的频率也是逐渐变大的。另外，在别的频率范围内也有类似的结果。

3 结语

综上所述，通过对暖水壶注水过程实测数据及对简化的一般模型圆形空腔进行的变深度实验可发现，圆形空腔声共振的频率是随着深度的减小逐渐增大的。由此说明在向暖水壶中灌水时，能引起暖水壶中空气柱的振动而发声。水未满时，空气柱较长，振动频率低，音调低。随着水面的升高，空气柱长度逐渐变短，振动频率逐渐变高，音调逐渐变高。由此，日常生活中向暖水壶中注水时，通过声音音调的变化来判断注水量的多少所蕴含的科学道理，为人们的经验行为提供了理论依据。