分贝仪APP在共鸣管测声速中的应用

杨文婷

(山西科技学院,山西 晋城 048011)

声波是一种在弹性介质中传播的机械波,振动方向与传播方向一致,是一种纵波,在遇到不同介质时会发生反射及透射,声波测量在定位、探伤、测距应用中具有十分重要的意义[1]。共鸣管是一种常用的测量声音速度的仪器,当共鸣管内的空气在某个频率振动与声源振动频率一致时就会产生共振现象。

随着科技的不断发展,越来越多的测量工具及设备被应用于声波测量中。对于分贝仪APP在共鸣管测声速中的应用研究较少。传统的测量方法需要使用耳朵听声音的最大时刻,但多组共鸣管的声音互相影响,导致测量结果不准确。随着智能手机的普及,很多测量都可通过手机应用程序来实现。在共鸣管中,当管内空气柱的长度等于声波波长的1/4奇数倍时会出现共振现象,使声波在管内反复传播,从而求得声速。分贝仪APP是一款可以通过手机或平板电脑进行声音测量的APP,可测量声音的分贝、频率、波形等参数,并将测量结果保存在设备中。本研究介绍了分贝仪APP在共鸣管测量中的应用,通过实验验证其可行性及准确性。

1 共鸣管测声速原理

共鸣管是一直立的带有刻度的透明玻璃管,如图1所示。移动蓄水桶可令管中的水位升降,从而获得一定长度的空气柱,声波沿空气柱传播至水面发生反射,入射波与反射波在空气柱中干涉,调节空气柱的长度L,当其与波长λ满足L=(2n+1)λ/4(n=1,2,3,…),将形成管口为波腹、水面为波节的驻波,共鸣管内的空气柱与声源产生共振,声音最响。

图1 实验装置Fig.1 Experiment facility

设相邻两次空气柱的长度差为ΔL,则:

ΔL=Ln+1-Ln=λ/2

∴λ=2ΔL

(1)

又∵声源频率f、波长λ与波速υ之间满足关系:

υ=λf

(2)

联立(1)、(2)两式,得

υ=2ΔLf

根据上式,在频率f已知情况下,测出ΔL,即可求出空气中的声速υ[2]。

2 实验步骤及注意事项

1)实验器材:共振源、共鸣管、装有分贝仪APP的手机一部。

2)实验步骤:为了验证分贝仪APP在共鸣管测声速中的可行性及准确性进行了一系列实验。安装好实验仪器,向蓄水桶内注水,调节仪器水面高度直到管内水面接近管口为止。①调节喇叭,使喇叭的振动平面与水面保持平行。将喇叭输入线接入到共振源的输出端口,调节好频率为400 Hz。移动蓄水桶,使共鸣管内水位缓慢下降。②听到第一次共鸣时记下此时水面位置L1,反复测3次,求平均。继续使管内水位下降,测得听到第二次共鸣时水面的位置L2。③将共鸣管端口对准分贝仪APP的麦克风,重复②步骤,观察分贝仪APP上显示的分贝值。如图2所示,当分贝值显示最大时即达到共鸣。分别记下两次分贝值最大时水面的位置L1与L2。④改变共振源的输出频率为500 Hz、600 Hz,重复上述操作。

图2 分贝仪APP手机界面Fig.2 Interface of decibel meter APP mobile

3)实验注意事项:分贝仪APP必须在装有麦克风的设备上使用,如手机或平板电脑等。测量声速前,检查共鸣管中的水流是否通畅。测量时必须确保环境噪声尽可能小,避免人和其他物体的靠近及干扰。调节液面高度时不能超过管口处喇叭高度,以免损坏喇叭电极。分贝仪APP应被放置在一定距离内,避免近距离接触振动区域干扰测量的准确性。操作前仔细阅读分贝仪APP的用户使用说明,正确操作测量步骤,避免误操作及测量失误。使用完毕后,应完全关闭分贝仪APP,妥善保存好数据及测量记录。

3 实验数据处理与结果分析

3.1 实验数据与处理

在15 ℃的室温下,分别用耳朵与分贝仪APP测量不同频率下产生共鸣时水面的位置并记录下来,通过计算得到声速值,如表1所示。

表1 使用耳朵的数据记录与处理Tab.1 Recording and processing of ear utilization

表2 使用分贝仪APP的数据记录与处理Tab.2 Recording and processing of decibel meter APP utilization

室温为15 ℃的声速理论值为340 m/s,计算各个频率下测得的相对误差:

室温为15 ℃声速理论值为340 m/s,计算各个频率下测得的相对误差:

3.2 结果分析

从图3可以看出,在各个频率下测声速,使用分贝仪APP测得结果的相对误差都小于使用耳朵。

图3 不同频率下使用耳朵与分贝仪APP测量的相对误差Fig.3 Relative error measured by ear and decibel meter APP at different frequencies

分贝仪APP在共鸣管测声速实验中的使用得到了认可,这个APP很容易上手,使用方便,测量精度高,实验中得到的数据与理论值比较接近。通过调整麦克风方向及使用软件的噪声抑制功能能够得到比较准确的测量结果。测量声音时,要注意把手机放置在远离共鸣管的地方,以避免振动影响测量结果。保证实验中各个步骤的准确性,尤其是关于共鸣管的水面位置记录。使用此APP进行实验,可以更好地了解了共鸣管及声速原理,通过实际操作体验测量过程。

4 分贝仪APP的优势

分贝仪APP在共鸣管测声速中的应用具有以下优势:①方便快捷。只需一部智能手机和一个共鸣管即可进行声速测量,无需额外的设备及工具。②精度高。在嘈杂的实验室中,分贝仪APP可实现高精度的声音测量及分析,精确测量共鸣管中的声音分贝,从而确定声速。这种测量方法非常准确,不受外界干扰,可提高测量精度及可靠性。③易于操作。分贝仪APP的操作非常简单,只需将手机靠近共鸣管启动APP即可开始测量,无需使用复杂的实验仪器及计算公式,不需要专业人员进行操作,非常方便。④数据可视化。可将测量结果以图表形式展示,使用户更直观地获取测量结果,实时监测共鸣管中的声音变化,帮助用户进行调整及优化,通过对声音的监测及分析,可及时发现问题并进行处理,从而提高共鸣管的音质及效果。⑤自动储存数据。分贝仪APP可记录并保存测量数据,方便用户比较分析,通过对不同数据的比较,了解共鸣管的声音变化趋势,并进行相应的调整及改进。

5 结束语

通过实验验证了分贝仪APP的可靠性及准确性。其可方便地测量共鸣管中的声速,在多人实验的嘈杂环境中获取准确结果,在共鸣管测声速中的应用为声学实验提供了一种便捷、高效、精确的测量方法,可测量共鸣管中不同频率下共鸣时的水面位置并进行数据处理,计算出对应的声速,用于声学教学、科研及工程领域,对于声学研究及应用具有重要意义[3]。无需专业的高精度测量仪器,只需使用移动设备上的分贝仪APP即可完成测量,节省了测量成本及时间,便于开展移动式声速测量。