基于DIS系統(tǒng)測定自制音叉振動頻率的研究

侯俊杰 邱泰光 王昆林

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系 云南 楚雄 675000)

音叉振動所發(fā)出的聲波是純音，對于純音頻率的測定有多種方法，隨著數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)的問世，對測定其純音聲波的頻率就顯得較為容易了．筆者自制了一只雙叉股音叉，要確定其音叉振動時的頻率．采用微電流傳感器結(jié)合DIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，變更測量參量，通過其參量轉(zhuǎn)換，測定出了該自制音叉的振動頻率．經(jīng)過比較分析研究，可知測定出的頻率是較為準(zhǔn)確的．

1 方案設(shè)計

將一根直徑為0.05 mm的漆包銅導(dǎo)線固著在一根有一定強(qiáng)度的細(xì)鋁條上，用透明膠布粘貼在音叉的叉股上，漆包線、鋁條、膠布三者的質(zhì)量之和遠(yuǎn)小于音叉的質(zhì)量，可忽略不計.

如圖1所示,構(gòu)建好測試系統(tǒng)．將固著有漆包線的一只叉股置于U形磁鐵的勻強(qiáng)磁場中，側(cè)向敲擊音叉后，音叉以固有頻率振動帶動漆包線在勻強(qiáng)磁場中振動，切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在閉合漆包線回路中產(chǎn)生微小電流，將微電流傳感器(型號：LW6111， 量程：-1μA ～ +1μA )串聯(lián)接入感應(yīng)回路中，檢測到微小感應(yīng)電流，此微小電流是振動產(chǎn)生的交變電流，其頻率與叉股的振動頻率是一致的.只要利用微電流傳感器，將所接收到的感應(yīng)電流傳入計算機(jī)中，測定出感應(yīng)電流的頻率就知道該音叉的振動頻率．為驗證此方法的可行性，先用一只已知固有頻率的標(biāo)準(zhǔn)音叉進(jìn)行比較性測試研究后，再對自制音叉進(jìn)行測試．

圖1 音叉頻率測試圖

2 實驗測試

2.1 測量標(biāo)準(zhǔn)音叉振動頻率

將已知頻率為256 Hz的標(biāo)準(zhǔn)音叉，按照圖1構(gòu)建好測試系統(tǒng)后進(jìn)行測試．所測得數(shù)據(jù)見表1.

表1 標(biāo)準(zhǔn)音叉測試數(shù)據(jù)表

注：選取計算機(jī)所獲得的數(shù)據(jù)，振動音叉采樣圖的某一個波峰，所對應(yīng)的時間為起始時間T始，往后數(shù)到第60個波峰所對應(yīng)的時間為T末，此時兩個時刻所間隔的時間為60個周期，以下表2與此相同．(f=256 Hz,采樣頻率1 kHz)

絕對誤差

1.763 135 1 Hz

相對誤差

不確定度分析：由于整個實驗的測量數(shù)據(jù)都由計算機(jī)完成，因此在這里就不考慮A類不確定度，故此時考慮計算機(jī)計數(shù)器本身的誤差，則

則不確定度為

所以待測音叉的頻率

f=(254.236 8±0.001 1) Hz

從實驗中得出，在一定誤差范圍內(nèi)此方法是可行的．將其數(shù)據(jù)由DIS系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為圖形顯示模式得到振動頻率圖像，如圖2所示.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)音叉測試圖形顯示(采樣頻率1 kHz)

2.2 測量自制音叉的振動頻率

將待測的自制音叉，按照圖1構(gòu)建好測試系統(tǒng)后進(jìn)行測試，由于不知道待測音叉的頻率大概在什么范圍，開始先選用了采樣頻率為100 Hz，進(jìn)行試探性測量后，得到自制音叉的頻率在66 Hz左右，將其轉(zhuǎn)換為DIS系統(tǒng)圖形顯示模式得到振動頻率圖像,如圖3所示.

圖3 自制音叉測試圖形顯示(采樣頻率100 Hz)

從圖3看出振動頻率圖像發(fā)生畸變，其原因是采樣點數(shù)不夠，故只要選用更高的采樣頻率，便可得到更多的樣點，繪制出更光滑的圖像．將采樣頻率提高到1 kHz再次進(jìn)行實驗 ，得到的數(shù)據(jù)見表2.

表2 自制音叉頻率測定數(shù)據(jù)表

注：(采樣頻率1 kHz)

不確定度分析：由于兩次測量都采用同一裝置，故對于B類不確定度是相同的,即

則不確定度為

所以待測音叉的頻率

f=66.4452±0.0011 Hz

將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DIS系統(tǒng)圖形顯示模式可得到振動頻率圖像,如圖4所示.

圖4 自制音叉測試圖形顯示(采樣頻率1 kHz)

從所得圖像可以看出：選擇1 kHz采樣頻率時，在音叉振動的一個周期內(nèi)，可以采集到16個點，得到了光滑連續(xù)的圖像，可說明的是，傳感器采樣率的高低雖然會影響到測量得到的圖像 ，但在傳感器的采樣頻率與待測音叉的頻率相匹配情況下，對所測得的結(jié)果影響并不大．

3 結(jié)束語

綜上可知，通過自制裝置將音叉的振動轉(zhuǎn)為交變的感應(yīng)電流，運(yùn)用DIS數(shù)字信息化系統(tǒng)結(jié)合微電流傳感器，測出感應(yīng)電流的頻率從而得到音叉的振動頻率，此種方法不論從理論上還是實際操作中來說都是可行的．需要注意的是其傳感器的采樣頻率與待測音叉的頻率要相匹配．在兩者頻率相匹配的情況下，采樣頻率較高，可采到的樣點較多，繪制出的圖線就較為平滑，測量得到的頻率也較為準(zhǔn)確．

1 劉才明.大學(xué)物理實驗中測量不確定度的評定與表示.大學(xué)物理,1997(8)

2 朱肇瑞，俞云中，劉艷春.創(chuàng)造技法與物理實驗.成都：西南交通大學(xué)出版社，1999.107

3 易其順，陳列春，閉劍鋒.利用駐波原理測量音叉頻率.中國現(xiàn)代教育準(zhǔn)備，2006(3)

4 易其順，蔣志年，閉劍鋒.利用利薩如圖形測量音叉頻率.大學(xué)物理實驗，2005(4)

5 易永,李汀萍.數(shù)字信息化系統(tǒng)實驗(DIS)的量化規(guī)程.萍鄉(xiāng)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2008(3)