聲音接收器激發(fā)效果特性研究

張平，王樂新，李慶達(dá)，劉艷萍，朱文霞

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院；3.大慶大豐能源科技服務(wù)有限公司）

聲音接收器激發(fā)效果特性研究

張平1，王樂新1，李慶達(dá)2，劉艷萍3，朱文霞1

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院；3.大慶大豐能源科技服務(wù)有限公司）

利用控制變量法，研究了聲源振幅、頻率以及距離對(duì)聲音接收器激發(fā)效果的影響。結(jié)果表明，振幅增大會(huì)使聲音接收器激發(fā)效果值升高，但增速逐漸減緩；聲源頻率升高會(huì)使激發(fā)效果值先增大后減小，呈現(xiàn)“單峰性”；聲源和聲音接收器間距離增大時(shí)激發(fā)效果值會(huì)逐漸降低。影響聲音接收器激發(fā)效果的根本原因是聲音的性質(zhì)及聲音接收器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如果將研究成果合理應(yīng)用能在“銷”和“售”兩方面激發(fā)市場(chǎng)的活力。

振幅；頻率；距離；應(yīng)用

世界上聲音無處不在，從水中的魚類到陸地上的哺乳動(dòng)物，從地球深處的火山源頭到天空中的飛機(jī)和飛鳥……都能發(fā)出各自獨(dú)特的聲音，這些聲音有的我們能聽到，有的則超出了我們的聽覺范圍。為了更有效地讓各種聲音為人類服務(wù)，我們發(fā)明了各種各樣的聲音接收器：手機(jī)話筒、會(huì)議室的麥克風(fēng)、深海里聆聽鯨魚交流的次聲波接收器［1］、研究蝙蝠的超聲波接收器［2］、各種場(chǎng)合的聲控延時(shí)開關(guān)［3］等等。為了能讓聲音更好地為人類服務(wù)，人們做了許多關(guān)于聲音接收器的研究：有基于仿生目標(biāo)聲音識(shí)別的研究［4］，有關(guān)于聲音識(shí)別算法的研究［5-6］等等，但關(guān)于聲音接收器激發(fā)效果和聲源特性之間的研究還相對(duì)較少。如果找到聲音接收器激發(fā)效果特性的具體影響因素，一方面有助于聲音接收器的設(shè)計(jì)研究，另一方面能為消費(fèi)者選購指明方向。為了找尋聲音接收器激發(fā)效果特性的影響因素，通過實(shí)驗(yàn)來研究分析。

1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、揚(yáng)聲器、SKD5聲控LED旋律燈和照度計(jì)四部分組成。實(shí)驗(yàn)中保持四者位置不變，通過調(diào)節(jié)頻率和電壓來改變揚(yáng)聲器聲音的音調(diào)和響度，聲控?zé)艚邮盏綋P(yáng)聲器的聲音信號(hào)后開始發(fā)光，照度計(jì)記錄光強(qiáng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)儀器組合圖如圖（1）所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器組合圖Fig.1The diagram of the instrument combination

實(shí)驗(yàn)的核心部分為SKD5聲控LED旋律燈，其詳細(xì)電路圖如圖（2）所示：主要由電源電路、話筒放大電路、LED發(fā)光電路組成。電源由J1輸入，C1濾波供電路使用。MK1將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)C2耦合到Q2放大，放大后的信號(hào)送到Q1基極，由Q1驅(qū)動(dòng)5只LED發(fā)光，在閾值范圍內(nèi)聲響越大LED燈越亮。

圖2 SKD5聲控LED旋律燈電路圖Fig.2The circuit diagram of SKD5 sound control LED melody light

1.1 激發(fā)效果與振幅之間的關(guān)系

利用控制變量法，先保持頻率不變，調(diào)整電壓的大小改變聲音的振幅，觀測(cè)并記錄光強(qiáng)值。由于人正常說話頻率大致在200～600 Hz間［7］，實(shí)驗(yàn)中選取250、280、360、410、460和550 Hz幾組頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3～8所示：

圖3～8走勢(shì)表明，當(dāng)頻率保持恒定時(shí)，隨著振幅增大，激發(fā)效果值逐漸升高，但電壓增大到一定程度以后光強(qiáng)不再隨著電壓增大繼續(xù)增強(qiáng)，即光強(qiáng)會(huì)達(dá)到最大值，究其原因主要有：（1）任何聲音接收器都是通過震動(dòng)膜的震動(dòng)來接收，當(dāng)震動(dòng)膜振幅達(dá)到自身的限值后無法再繼續(xù)增大。（2）實(shí)驗(yàn)中聲控?zé)舻牧炼扔凶畲笾?，達(dá)到最亮后光強(qiáng)增長(zhǎng)隨即停止。

圖3 頻率f=250 Hz時(shí)光強(qiáng)和電壓之間的關(guān)系Fig.3Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 250 Hz

圖4 頻率f=280 Hz時(shí)光強(qiáng)和電壓之間的關(guān)系Fig.4Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 280 Hz

圖5 頻率f=360 Hz時(shí)光強(qiáng)和電壓之間的關(guān)系Fig.5Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 360 Hz

圖6 頻率f=410 Hz時(shí)光強(qiáng)和電壓之間的關(guān)系Fig.6Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 410 Hz

圖7 頻率f=460 Hz時(shí)光強(qiáng)和電壓之間的關(guān)系Fig.7Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 460 Hz

圖8 頻率f=550 Hz時(shí)光強(qiáng)和電壓之間的關(guān)系Fig.8Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 550 Hz

1.2 激發(fā)效果與頻率之間的關(guān)系

研究頻率對(duì)光強(qiáng)影響時(shí)保持電壓不變，調(diào)節(jié)頻率變化，觀察并記錄光強(qiáng)。由于實(shí)驗(yàn)中電壓在1.8～3.5 V時(shí)聲控?zé)裟芨菀滋幱诩ぐl(fā)狀態(tài)，因此選取電壓為2.0 V、3.0 V兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9～10所示：

圖9 電壓U=2.0 V時(shí)光強(qiáng)和頻率之間的關(guān)系Fig.9Relationship of light intensity and frequency when the voltage was 2.0 V

圖10 電壓U=3.0 V時(shí)光強(qiáng)和頻率之間的關(guān)系Fig.10Relationship of light intensity and frequency when the voltage was 3.0 V

圖9～10圖像走勢(shì)表明，在振幅保持恒定時(shí)聲音的激發(fā)效果值開始隨著頻率升高而增大，但增長(zhǎng)速度逐漸變緩，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)臨界值后開始降低，即呈現(xiàn)“單峰性”。原因?yàn)椋郝曇艚邮掌鞯恼饎?dòng)膜做的是受迫振動(dòng)，根據(jù)受迫振動(dòng)的特點(diǎn)［8］可知，當(dāng)聲音的驅(qū)動(dòng)頻率和震動(dòng)膜固有頻率接近時(shí)激發(fā)效果升高，反之降低。次聲波和超聲波激發(fā)聲控?zé)艋蛘咂渌胀曇艚邮掌鲿r(shí)很難有好的效果原因就在于此。

1.3 激發(fā)效果與聲源距離之間的關(guān)系

聲音接收器激發(fā)效果除了和聲源特性有關(guān)外還和聲控?zé)襞c聲源之間距離有關(guān)，為了研究激發(fā)效果和聲源距離之間的關(guān)系，維持聲源振幅和頻率恒定不變。根據(jù)1.1～1.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了讓聲控?zé)籼幱谧罴鸭ぐl(fā)狀態(tài)，電壓取3 V、頻率取280 Hz，調(diào)整聲源與聲控?zé)糁g的距離并記錄光強(qiáng)值，結(jié)果如圖11所示：

圖11 光強(qiáng)和聲源距離之間的關(guān)系Fig.11Relationship of light intensity and sound source distance

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著距離增大，開始時(shí)聲控?zé)艏ぐl(fā)效果值幾乎不變，但當(dāng)距離大到一定值以后聲控?zé)艏ぐl(fā)效果值會(huì)隨著距離增大不斷減小。產(chǎn)生的原因?yàn)椋洪_始階段激發(fā)效果值幾乎不變是因?yàn)樵诖司嚯x范圍內(nèi)聲音能量足夠強(qiáng)使得聲控?zé)舻恼饎?dòng)膜處于極限震動(dòng)狀態(tài)，聲控?zé)艄鈴?qiáng)能保持在最大值附近，當(dāng)距離進(jìn)一步增大后由于聲控?zé)艚邮盏降穆曇裟芰繙p弱，聲控?zé)粽饎?dòng)膜振幅減小，聲控?zé)艄鈴?qiáng)降低。

2 結(jié)果分析和討論

為了便于橫向研究比較，將圖3～8實(shí)驗(yàn)結(jié)果置于同一個(gè)坐標(biāo)系中，如圖12所示。從圖中可以看出雖然各條曲線走勢(shì)相同，但對(duì)應(yīng)電壓同一數(shù)值時(shí)不同頻率下光強(qiáng)值不同，頻率等于280 Hz時(shí)光強(qiáng)值高于其他頻率時(shí)的光強(qiáng)值，從側(cè)面表現(xiàn)出了光強(qiáng)隨頻率增長(zhǎng)出現(xiàn)的“先增后減”趨勢(shì)。

圖12 不同頻率時(shí)激發(fā)效果對(duì)比圖Fig.12Excitation effect different frequencies comparison chart

為了從“光強(qiáng)-頻率”走勢(shì)圖中得出激發(fā)效果隨電壓的變化趨勢(shì)，將圖9～10置于同一坐標(biāo)系如圖13所示，容易發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：頻率相同時(shí)3 V電壓對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)比2 V電壓對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)要大，即光強(qiáng)隨著電壓增大而增長(zhǎng)。

通過橫向比較研究發(fā)現(xiàn)從“光強(qiáng)-頻率”圖中能得出光強(qiáng)隨電壓的變化規(guī)律，同樣在“光強(qiáng)-電壓”曲線之間比較也能發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)和頻率之間的關(guān)系。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)相輔相成，共同揭示了聲控?zé)舻募ぐl(fā)效果隨振幅、頻率變化的規(guī)律。

眾所周知，聲波在傳播過程中能量會(huì)逐漸降低，如果聲源和聲音接收器之間距離過大，即使聲音接收器設(shè)計(jì)符合聲源的振幅和頻率要求也無法取得良好的效果。因此保持足夠近的距離是聲音接收器能夠正常工作的一個(gè)重要前提。

圖13 不同電壓時(shí)激發(fā)效果對(duì)比圖Fig.13Excitation effect of different voltages comparison chart

3 應(yīng)用前景

市場(chǎng)規(guī)律的核心內(nèi)容是：企業(yè)以市場(chǎng)需求情況、產(chǎn)品銷售情況來確定資源配置和產(chǎn)品生產(chǎn)，并通過市場(chǎng)最終獲取經(jīng)濟(jì)效益。商家要想讓自己的產(chǎn)品在市場(chǎng)上占有一席之地，一個(gè)重要的先決條件就是產(chǎn)品必須能滿足消費(fèi)者的需要［9-10］。要讓消費(fèi)者能夠認(rèn)知自己的產(chǎn)品，這里所謂的“認(rèn)知”包括三層：視覺上的美觀、功能上的易用、情感上的依賴［11］，在這三個(gè)層面里“功能上的易用”尤其重要，如果功能不能滿足消費(fèi)者要求，其他因素做的再好也是無稽之談。因此設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)聲音接收器時(shí)必須要先考察使用環(huán)境聲音的響度、音調(diào)及安放位置等要素，這樣才能更好地服務(wù)于客戶。聲音響度和音調(diào)決定于聲音的振幅和頻率，如果在設(shè)計(jì)產(chǎn)品之前先了解了聲音接收器激發(fā)效果和振幅、頻率及接收器和聲源距離之間的關(guān)系，將會(huì)使設(shè)計(jì)效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

改革開放以后，我國生產(chǎn)力飛速發(fā)展，市場(chǎng)上各種商品琳瑯滿目，近些年來隨著淘寶、京東等網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的興起，廣大消費(fèi)者在足不出戶的情況下就能瀏覽到自己喜歡的商品。同時(shí)消費(fèi)者需要學(xué)會(huì)“慧眼識(shí)金”，在眾多商品中挑選出適合自己的款式?！斑m合”除了指外形、顏色等方面外，實(shí)用效果是重中之重的方面。消費(fèi)者在選擇麥克風(fēng)等聲音接收器的時(shí)候需要先了解自己的使用環(huán)境，然后選擇最適合自己的產(chǎn)品。許多歌星都有自己的專用麥克風(fēng)，就是因?yàn)槊總€(gè)歌星聲音的振幅、頻率分布各不相同，找到最容易受自己嗓音激發(fā)的款式，才能更好地展現(xiàn)自己聲音的魅力。

因此掌握聲音接收器的激發(fā)特性，會(huì)使設(shè)計(jì)者的產(chǎn)品更受歡迎，使消費(fèi)者選擇時(shí)更加自如。買賣雙方同時(shí)受益的同時(shí)，就會(huì)激發(fā)市場(chǎng)的活力。

4 結(jié)束語

綜上所述，聲音接收器的激發(fā)效果值隨著振幅增大而增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度逐漸減緩；隨著頻率的增大，聲音接收器激發(fā)效果值會(huì)先增長(zhǎng)后降低，呈現(xiàn)“單峰性”，其原因主要是任何聲音接收器的震動(dòng)膜都有固有頻率，震動(dòng)膜共振曲線和實(shí)驗(yàn)中的“單峰曲線”相互印證；由于聲波中的能量會(huì)隨著距離增大而衰減，當(dāng)聲音接收器和聲源之間距離增大時(shí)激發(fā)效果值降低。設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮聲音接收器使用環(huán)境而選取不同的材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，才能開拓更廣闊的市場(chǎng)，而使用者在購買產(chǎn)品之前應(yīng)先對(duì)自己自身情況做一個(gè)簡(jiǎn)單評(píng)估然后再去選擇，這樣才能選出最適合自己的產(chǎn)品。熟知聲音接收器激發(fā)效果的特性對(duì)其應(yīng)用市場(chǎng)有著實(shí)際而深遠(yuǎn)的影響。

［1］李新欣.船舶及鯨類聲信號(hào)特征提取和分類識(shí)別研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［2］劉洋.蝙蝠聽覺和食性相關(guān)基因的分子進(jìn)化研究［D］.上海：華東師范大學(xué)，2012.

［3］王俊峰.中國十大行業(yè)常用電路［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］張文娟.基于聽覺仿生的目標(biāo)聲音識(shí)別系統(tǒng)研究［D］.長(zhǎng)春：中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2012.

［5］呂霄云.基于MFCC和GMM的異常聲音識(shí)別算法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［6］劉曉宇.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲音識(shí)別算法研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2014.

［7］董明，劉加，劉潤(rùn)生.快速口音自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)說話人選擇性訓(xùn)練［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（7）：912-915.

［8］陶湘.從功能關(guān)系討論受迫振動(dòng)的振幅［J］.大學(xué)物理，1994，13（11）：5-8.

［9］潘萍萍.“王加”銷售業(yè)績(jī)差距原因探析及建言［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（6）：103-107.

［10］江林.消費(fèi)者行為學(xué)［M］.2版.北京：科學(xué)出版社，2006.

［11］鄭佳.品牌管理［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2010.

Characteristic Research of Sound Receiver Excitation Effect

Zhang Ping1，Wang Lexin1，Li Qingda2，Liu Yanping3，Zhu Wenxia1
（1.College of Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University；3.Daqing Dafeng Energy Technical Service Limited Company）

Controlling variate method was used to study the relationships between sound receiver excitation effect and sound source amplitude，frequency and distance.The experiment results showed that the value of the excitation effect could be higher with the growth of sound source’s amplitude，but the growth gradually became slow.When the frequency got higher，the value of excitation effect increased firstly but then decreased，and appeared the phenomenon of single peak.The value of excitation effect decresed with the growth of distance between sound source and sound receiver.The root caused that determining the excitation effect were sound source characteristic and the structure of sound receiver.If the research results could be reasonably applied to the marketing and sold two aspects to stimulate the vitality of the market.

amplitude；frequency；distance；application

O4-33

A

1002-2090（2016）04-0135-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.030

2015-09-02

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校級(jí)教研課題（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校級(jí)教研課題（在幕課背景下，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)大學(xué)物理能力的方法研究）；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目（QC2014C058）。

張平（1982-），男，實(shí)驗(yàn)師，寧夏大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新方面的研究工作。