声速的测量居家实验综述

2020-10-30王毅王胜男于永江

科学导报·学术 2020年39期

王毅王胜男于永江

摘要：本文综述了虚拟仿真法、SPARKvue法和Phyphox法三种测量声速的实验方案，介绍了各自实验原理、实验步骤，并进行了分析讨论，提出智能手机用于居家实验优势明显。期望学生可以通过对实验原理的理解和传感器的特点，自行设计实验，培养他们的发散思维、创新意识和科研能力，使智能手机更好的为教学和科研服务。

关键词：声速;智能手机;居家实验

Abstract：In this paper，three experimental methods of measuring sound velocity，virtual simulation method，SPARKvue method and Phyphox method，are summarized. This paper introduces the principle and steps of each experiment，analyzes and discusses the advantages of smart phones in home experiments. It is expected that students can design experiments by themselves through the understanding of experimental principles and the characteristics of sensors，and cultivate their divergent thinking，innovation awareness and scientific research ability，so that smart phones can serve teaching and scientific research better.

Key words：speed of sound，smart phone;Home experiment.

1.引言

声学涉及的范围非常广，大至大气、海洋、地壳，小至分子原子等微观世界，都有声波的传播，在国防、国民经济和人民生活的各个领城，也都有声学的研究与应用。声学的研究频段很宽，虽然人耳能听到声音的频率范围是20-20，000赫兹，但是目前声学研究的超声和特超声频率可高到1012赫兹，次声频率低至10-4赫兹。声波穿透能力极强，能穿透各种气体、液体、固体、等离子体等，在大气、海洋、地壳中都能传播很远的距离，因此在观察世界方面有着极为广泛的应用。声波可以是水下战争的耳目;地球的体温表;海洋开发、海洋温度场和流速场的透视机;灾害性天气的预报员等。利用声波与物质相互作用可以观测微观世界，医学上的超声检查和治疗、工业上的超声加工和处理、生活中的噪声防治、机器辨音、语言模拟、电话翻译和美声享受等对我们每个人的日常生活都产生了很大的影响。可以说凡是有物质存在的地方，就有声学问题存在，就需要声学研究，声学研究具有非常重要的意义。

所有的声学研究中，都离不开声速这一参量。在物理实验教学中，声速的测量一般是在实验室里借助一定的实验仪器完成，用到的仪器比较多，常用的有低频信号发生器、示波器和声速测量仪等[1-3]。但是2020 年新冠肺炎病毒肆虐，为阻断疫情蔓延，国家积极应对，人们纷纷居家隔离，各级各类学校都在坚持停课不停教，停课不停学，积极开展线上教学活动，对比理论课而言，实验课居家在线教学给师生都带来了很大的困惑和挑战，我们必须打破对实验教学的传统认识，努力克服实验教学仪器、场地等条件限制，积极探索实验教学的新方法和新手段，居家用品自制实验器材、视频处理软件、计算机仿真实验、智能手机等多元化的实验[4-9]手段发挥了积极作用。采用这样的实验手段对学生的知识运用水平和实验操作能力都提出了较高的要求，但是学生可以身体力行地设计和完成实验，他们的参与程度更高、体验感更强、效果也更好。

现在的智能手机除了常用的麦克风、扬声器、相机、GPS定位系统等，还自带很多丰富的传感器，如压力、光、加速度、湿度、磁力、距离、重力、温度传感器等。SPARKvue与Phyphox等手机软件可以调用手机中已有的各类传感器来采集数据，并将原始数据与结果图表导出，更进一步的分析，可以巧妙地运用到物理实验设计中。基于智能手机设计的物理实验，形象直观又便捷[10-11]。

本文使用智能手机的声音传感器，对同一段音频在不同位置进行接收，并通过研究SPARKvue软件所测绘的“声强-时间”图像计算出先后接收同一段音频的时间差，从而计算出声音在空气中传播的速度;利用Phyphox的声学秒表，使用其传感器接收到声音，秒表便开始或停止计时的特点设计实验探究声速;通过物理实验仿真软件测声速。共提供了三个居家测量声速的设计方案，并将各种实验所得出的数据进行比较分析。为学生设计性实验提供参考。

2.计算机仿真测量声速

计算機仿真测量声速是在科大奥锐大学物理实验仿真平台上完成的，该平台可以模拟真实的实验过程，营造了自主学习的环境，每一项实验都有实验讲解、原理讲解、仪器讲解，可以帮助学生随时、随地通过电脑完成实验，是居家实验一个很好的选择。声速测量虚拟仿真实验用到了驻波法和相位差法两种方法。

2.1驻波法和相位差法测声速原理

根据波动理论，波速与波长、频率的关系为

该实验通过发生器控制换能器。信号发生器的输出频率就是所求声波频率。求波长时，需要用到驻波法与相位差法，其实验装置图为图1。

（1）驻波法测波长：声源的入射波与反射波合成驻波的公式为

振动最大的点为波腹，其位置为

振动最小的点为波节，其位置为

根据公式（3）、（4）得出，相邻两个波节、波腹之间的距离为

所以，两峰值之间的距离为波长的一半。

（2）相位差法：声波从换能器S1发出，到S2接收，二者之间会产生相位差。当示波器图形相位差变化π时，此时信号变化半个周期。根据这个特点可用李萨如图形得原理求出波长。

2.2 仿真实验步骤

（1）打开模拟仿真实验“声速的测量”，仔细阅读注意事项、操作教程、演示，熟悉实验原理。

（2）开始实验，根据指导检查、调节仪器。

（3）按照实验图，如图1所示，对实验仪器进行连接。

（4）让信号发生器输出频率为35KHz，峰峰值为2V的正弦信号。

（5）当示波器出现图像，对其进行细调至观察清楚。

（6）调节换能器间的距离，使图像峰值达到最大，用游标卡尺读出换能器距离。进行记录。

（7）再次调节换能器，当峰值再次达到最大，用游标卡尺记录此时换能器距离。进行记录。

（8）对换能器进行十次调节，依次记录数据，如图2所示。根据所记录数据计算出每次换能器位移的距离后求和，对其进行平均操作，用公式（5）求出此次实验声波的波长，再用公式（1）求出声波在空气中的传播速度。

（9）根据李萨如图像的原理调节传感器开关，使屏幕上显示出换能器输出端信号产生的李萨如图像。增大换能器之间的距离，使示波器中的图像相位差变化π。用游标卡尺读出此时换能器得距离，并记录数据。

（10）对换能器进行十次调节，依次记录数据，如图3所示。根据所记录数据计算出每次换能器位移的距离后求和，对其进行平均操作，根据李萨如图像的原理，利用公式（5）求出此次实验声波的波长，再用公式（1）求出声速。

2.3 数据处理及分析

表1为示波器测声速法所得实验数据，驻波法测出的声速平均值为338.02m/s，相位差法测出的声速为335.93m/，其结果与理论值340m/s非常接近。两种方法实验数据的性对误差分别是1.2%和0.6%，测量结果非常精确，主要原因是仿真软件内置程序按照实验原理设定好了计算公式，对比实物操作实验，仿真实验系统误差和偶然误差都可以避免，必然使得实验精确度更高。程序设定的仿真实验在学生自学和基本实验技能训练方面可以发挥较大的作用，但在学生动手能力和创新训练方面有待进一步提高。

3. SPARKvue测声速法

3.1 SPARKvue测声速法原理

SPARKvue是PASCO公司推出的一款教育类软件，这款APP利用智能手机自带的声音传感器，可以将接收的声波进行计算绘制成“声强-时间”图。放置不同位置的两个相同型号的智能手机间隔为，在两个手机连线延长线的外侧播放一段音频，靠近声源的手机1接收音频的时间为t1，远离声源的手机2接收音频的时间为t2。由此可以得出声音传播手机1→手机2的时间差△t，得出声速为

理论上，标准大气压下，声音在空气中的传播速度可以近似为

其中t0为环境温度。

3.2 SPARKvue法实验步骤

（1）用温度计测量实验环境周围的温度记为，根据公式（7）算出声音在空气中传播的速度的理论值。

（2）准备要一段音频放在音频播放器（电脑、录音机等）中。两个手机放置在同一水平面上，间隔为2米，音频播放器放在它们延长线的外侧，靠近播放器的手机标记为手机1，远处的一部手机标记为手机2。

（3）打开SPARKvue软件，选择Sensor Date，开启On-board Microphone功能后，选择表格，生成“声强-时间”图表。

（4）将频率设置成500后，按下“Start”同时让两个声音传感器启动。

（5）播放器播放音频。

（6）按下两个智能手机的停止键，保存得到的“声强-时间”图，并用SPARKvue软件的读数功能读出第一个波峰发生的时间。手机1和手机2记录的“声强-时间”分别如图4和图5所示。

（7）对所测数据进行计算、比较。

3.3 SPARKvue法实验分析

图4和图5为两部有间隔距离的声音传感器对同一段音频的接收的“声强-时间”图。我们将其放大，并选择第一个波峰为准，利用SPARKvue的读数功能便能读出二者第一个波峰发生的时间分别是7.828s与7.834s，将二者做差求出时间差为0.006s，两个手机间距为2.000米，所以用公式（6）即可求出声速为333.330m/s，测得室温为15℃，声音在空气中的传播速度理论值为340m/s，测量值的绝对误差为6.670m/s，性对误差为1.96%。

4. Phyphox测声速法

4.1 Phyphox法测声速原理

Phyphox是由德国亚琛工业大学在2016年发行的一款手机应用软件，利用Phyphox软件中声学秒表功能，当手机传感器接收到声波时，秒表自動开始计时，当再次接收声波时，秒表可以停止计时，来完成声速的测量实验。

放置不同位置的两个相同型号的智能手机间隔为，分别标记为手机1和手机2。实验时两个手机的声学秒表都启动，然后在智能手机1处拍出掌声后使两个智能手机会先后开始计时，再到智能手机2处再次拍出掌声使两个智能手机先后停止计时。智能手机1所记录的时间为t1，智能手机2所记录的时间为t2。由于声音的传播需要时间，我们第一次掌声由手机1传播到手机2所需的时间与第二次掌声由手机2传播到手机1所需的时间相同都标记为，那么，

所以，根据公式（8）可求出声音从手机1传播到手机2所需要的时间，再测量出能手机之间的距离，根据公式（6）就可求出此实验声音在空气中的传播速度。

4.2 Phyphox法实验步骤

（1）用温度计测量出此时室温t0。

（2）将两个相同的智能手机打开Phyphox软件的声学秒表。

（3）将两个智能手机分开放置，并测量出二者的间距。

（4）在智能手机1拍出掌声，观察两智能手机是否开始计时。

（5）在智能手机2再次拍出掌声，两个手机都停止计，记录下两手机所显示的时间。

（6）利用公式（8）算出声波从手机1传播到手机2的时间。

（7）利用公式（6）算出此时声音在空气中的传播速度。

4.3 Phyphox法实验分析

如图6、图7为Phyphox法此次实验两个智能手机分别记录的时间截图，由图可知，智能手机1所记录的时间为5.625s，智能手机2所记录的时间为5.613s。所以由公式（8）得出声音由智能手机1传播到智能手机2的时间差△t为0.006s。两智能手机之间的距离为2.000米，所以带入公式（6）中得到此次实验所测得的声速为333.330m/s。实验时室温为15℃，则声速的理论值为340m/s，此次实验的绝对误差为6.670m/s，性对误差为1.96%，误差范围与SPARKvue实验法相同。对比上述几种实验可以发现，对比仿真用智能手机测声速误差相对较大，主要原因是手机软件接收数据的频率最大为500Hz，实验时声音的传播距离短，导致数据浮动大，实验中应该进行改变两部手机的间距多次实验，减少误差。

5.总结

利用仿真软件或用智能手机中的SPARKvue、Phyphox等实验软件进行居家实验，摆脱了实验场地的限制、也不需要复杂实验仪器，可以成为居家实验的首选。智能手机进行实验是一种新颖的方式，借助智能手机的进行实验，学生可以通过对实验原理的理解和传感器的特点，自行设计很多实验，更能培养他们的发散思维、创新意识和科研能力。随着科技的发展，智能手机融入到了我们的生活很多方面，用它开展科学实验，必将在科研和教学领域发挥更大的作用，从而使智能手机更好的为我们服务。

参考文献

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