基于声卡和Audacity软件的固体声速测量

陈丹慧 叶泽波 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东广州 510006)

在物理实验的教学中，声速的测量与应用是非常重要的基础实验，由于固体介质中声速传播较快，当前对于固体声速的测量研究较少，中学物理教材对于固体声速的探究仅是提及固体能传声以及提供一些固体中的声速参考，没有开展有关固体中声速的测量实验.

对固体声速的测量，文献[1]提出利用脉冲光声技术测量固体声速的方法；文献[2]用驻波法测定固体中的声速；文献[3]利用DIS数字信息系统采集处理声波信号，从波形图中得到周期与基频进而计算固体材料的声速.已有的学者测量固体声速的方法都能巧妙地测得固体声速，但都需要较为专业的设备.

本实验使用声卡和Audacity软件解决了利用时间差法原理测量声速实验中准确测量时间差的关键问题，仅需普通的耳机便可实现在较短距离内有效、精确地测得固体材料的声速.

1 测量原理及方法

1.1 硬件结构和基本原理

本实验用于测量固体材料声速的方法是时间差法，如图1所示，紧贴着固定且拉紧的固体材料两端分别放置左右侧耳机用于拾取声音信号，在固体材料中的任意位置(非中点)进行敲击发出声音作为声源.声波在固体材料中进行传播，由于声源(敲击点)与接收装置处于同一直线上，且声源到达两侧接收装置的距离不同，因此声音到达两个接收装置的时间有先后之差，若能精确测量得到Δt，利用公式

图1 时差法原理图

(1)

即可求出对应该固体材料的声速，式中d1和d2表示两耳机到声源的距离，Δt为两声音信号到达耳机的时间差.

用于声音采集的是不带麦克风的耳机，耳机头部分与动圈式麦克风构造原理相同，可直接充当麦克风使用，无需改造.

1.2 软件实现部分

电脑的音频输入主要有麦克风输入(mic in)和线路输入(line in)两种方式.目前大多数的电脑麦克风输入接口全都是单通道输入方式，无法将先后得到的音频信号分别显示在两条音轨上，因此也无法得到时间差，而声卡的线路输入(line in)端口是双通道输入[4]，可以实现两个通道分别收集声音信号.

在时差法原理测量固体声速的实验中，准确地测量声波在固体介质中的传播时间是实验的关键，假设距离差为2 m,固体声速为3 000 m/s，可算得传播时间约为0.6 ms，因此需要精度非常高的计时工具，普通计算机的声卡采样频率可以达到48 000 Hz,即采样时间间隔可以达到0.020 8 ms[5]，精度满足固体声速的测量要求.

Audacity软件是一种免费的音频剪辑软件，可以将采集到的声音信号分为左右声轨显示,放大音轨即可看出两个声道之间音频信号及其微小的时间差.

2 实验装置

实验装置如图2所示，将待测固体细线的两端分别穿过一次性纸杯杯底，并将一次性纸杯分别固定在铁架台上，用耳机紧贴在固体材料的两侧用于收集在固体材料中传播的声音信号，同时耳机插头插入电脑的线路输入(Line in)接口，实时将收集到的声音信号分别输入电脑.

图2 实验装置图

3 实验内容

基于计算机声卡和Audacity软件，利用时差法原理测量不锈钢线、T2型紫铜线、H59型黄铜线3种固体材料中的声速，并将实验结果与理论值进行比较从而验证该方法的准确性.

(1)选取适当长度的待测固体细线，将其穿过一次性杯子底部，固定在铁架台上，并测量其长度(注意铁架台需要放置于不同桌面上，以减少其他途径的传播带来对实验结果的影响).

(2)将用于拾取声音的左右两侧耳机紧贴固定于固体材料两侧，插头接入电脑计算机声卡输入插孔，打开Audacity软件做好声音采集准备.

(3)点击Audacity软件的录制按钮，在与固体材料一侧距离d1处用力地敲击或弹固体材料，发出声音，然后停止录制.

(4)以波形(dB)为纵坐标，显示采集到的声音信号，如图3所示，放大音轨就可以看出左右声道中两个声音信号之间的时间差Δt，选取每一次敲击(或弹)时两个声音信号的第一个波形进行放大(图4)并读出时间差Δt(由于后面的声音易受干扰，因此选择第一个波形).

图3 左右声道声音信号采集图

图4 声音信号局部放大图

(5)改变d1，重复步骤(3)和(4)进行实验和数据采集，即可得到对应的时间差，利用式(1)可以得到声速.

4 数据处理

4.1 不锈钢线

选取不锈钢细线进行实验，实验数据如表1所示.

表1 不锈钢细线中声速测量数据表

4.2 T2型紫铜

选取T2型紫铜细线进行实验，实验数据如表2所示.

表2 T2型紫铜细线中声速测量数据表

4.3 H59型黄铜线

选取H59型黄钢细线进行实验，实验数据如表3所示.

表3 H59型黄铜细线中声速测量数据表

将测得的各种固体细线声速与文献[6]中列出的不锈钢、紫铜、黄铜中的声速理论值(v不锈钢理论=5 000 m/s，v紫铜理论=3 750 m/s和v黄铜理论=3 480 m/s)比较，结果在正常误差范围内，说明了该方法的正确性；对同一材料的不同距离差进行多次测量，所测得的声速基本相同，相对误差总体不超过5.5%，说明该方法的精确性.

利用电脑声卡和Audacity软件测量固体声速的实验方法实现了简单的软件测量固体声速，与实验室现有利用其他专业工具测得的固体声速结果相比，两者准确性相当，但前者可行性更高，适合不具备专业条件的中学开展相关的探究和实验.

5 结束语

本实验利用时间差法原理，结合电脑的声卡输入和Audacity软件得到精确的时间差，计算得到304不锈钢线、H59型黄铜线、T2型紫铜线等3种不同固体细线材料中的声速，实验测得的各固体声速结果一致性较高，并且各金属材料的测量值与理论值的相对误差小于5.5%.基于电脑的声卡输入和Audacity软件的声速测量方法存在以下特点：直观的图像可以使学生更好地理解实验原理，实验取材与操作简单，实验测量结果准确.