次聲測(cè)量在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

董彩霞，何焰蘭，楊衛(wèi)新，趙 云，彭 剛

(1. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，湖南 長沙 410073；2. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 海洋科學(xué)與工程研究院, 湖南 長沙 410073)

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次聲測(cè)量在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

董彩霞1，何焰蘭1，楊衛(wèi)新1，趙 云2，彭 剛1

(1. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，湖南 長沙 410073；2. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 海洋科學(xué)與工程研究院, 湖南 長沙 410073)

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于聲的實(shí)驗(yàn)較少，比較常見的實(shí)驗(yàn)是利用超聲波的波動(dòng)特性來測(cè)量聲速，而對(duì)次聲聲源以及聲場(chǎng)分布情況的研究少見. 我們?cè)O(shè)計(jì)的“分立推挽氣流激勵(lì)式”次聲發(fā)生器可作次聲聲源及相關(guān)聲場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生了解次聲波的特點(diǎn)、調(diào)制式氣流次聲發(fā)生器的換能機(jī)理和基本的聲場(chǎng)測(cè)量方法. 使用MATLAB對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，運(yùn)用COMSOL對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，能讓學(xué)生了解聲場(chǎng)的分布和聲源的指向性. 從而拓寬學(xué)生的知識(shí)面、提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约皵?shù)據(jù)處理和分析能力.

分立推挽；次聲；教學(xué)實(shí)驗(yàn)

聲波是一種特殊的機(jī)械波. 目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中關(guān)于聲的實(shí)驗(yàn)較少，比較常見的實(shí)驗(yàn)是利用超聲波的波動(dòng)特性來測(cè)量聲速，而對(duì)次聲聲源以及聲場(chǎng)分布情況的研究少見. 通常規(guī)定振動(dòng)頻率范圍低于20 Hz的聲波叫次聲. 它與可聞聲波一樣, 由物質(zhì)的振動(dòng)產(chǎn)生, 通過各種彈性介質(zhì)(氣體、液體、固體) 的分子作稀疏或緊密的交替波向四周擴(kuò)散傳播[1]，許多自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)都可以產(chǎn)生次聲波. 有研究表明，低聲壓、小劑量次聲對(duì)機(jī)體有益，可用于人類特定疾病的診斷及治療. 次聲研究，能夠推動(dòng)對(duì)自然災(zāi)害發(fā)生機(jī)理的研究，加強(qiáng)對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)能力(如火山、地震等)，同時(shí)可以有效監(jiān)控核試驗(yàn)的發(fā)生. 因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的“分立推挽氣流激勵(lì)式”次聲發(fā)生器，可作次聲聲源及相關(guān)聲場(chǎng)研究的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中所涉及的專用數(shù)據(jù)軟件(MATLAB、COMSOL)的使用和訓(xùn)練可提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理以及物理建模的能力.

1 原理與裝置

1. 1 次聲產(chǎn)生機(jī)理

我們所設(shè)計(jì)的聲源采用分立推挽氣流激勵(lì)的方式產(chǎn)生聲波, 其原理框圖如圖1所示. 主要包括正壓氣室(DC-2B型微音氣泵)、負(fù)壓氣室(2XZ-2型旋片式真空泵)、開關(guān)(帶孔旋轉(zhuǎn)裝置)、氣腔、輻射器等. “分立推挽氣流激勵(lì)式” 次聲發(fā)生器是流體調(diào)制式聲波發(fā)生器，其發(fā)聲原理是通過開關(guān)機(jī)械式控制氣流的通斷，使正壓氣流和負(fù)壓氣流不同時(shí)地進(jìn)入氣腔形成穩(wěn)定氣流，將流場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為聲場(chǎng)的能量.

圖1 分立推挽次聲產(chǎn)生裝置原理框圖

1. 2 次聲產(chǎn)生實(shí)際裝置

次聲產(chǎn)生實(shí)際裝置的核心部件是氣源(壓縮氣泵和真空氣泵)和開關(guān). 開關(guān)由計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)速儀、光電門、調(diào)速器、開有等距分布小孔的一個(gè)定盤和一個(gè)轉(zhuǎn)盤組成. 其中轉(zhuǎn)盤上小孔的中心分別分布在兩個(gè)不同半徑的圓周上，同一圓周上的小孔之間等弧度均勻分布. 其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

定盤在與轉(zhuǎn)盤相同半徑的圓周上各開一個(gè)小孔，外圈小孔和內(nèi)圈小孔通過導(dǎo)氣管分別接通壓縮氣泵和真空氣泵. 將兩個(gè)盤的中心安裝在一起，并使轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng). 轉(zhuǎn)盤和定盤應(yīng)盡量緊密相貼，減少漏氣，以提高發(fā)射效率. 由真空氣泵和壓縮氣泵提供氣流往返運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力源，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣流就會(huì)時(shí)而通過，時(shí)而被切斷而形成斷續(xù)噴注，從而在媒質(zhì)中產(chǎn)生聲波，其頻率由開關(guān)唯一決定：

(1)

式中n是由計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)速儀設(shè)定的轉(zhuǎn)盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)，在本實(shí)驗(yàn)中一般選用默認(rèn)設(shè)定值n=10；NP是轉(zhuǎn)盤半徑相同的圓周上的小孔數(shù)，本實(shí)驗(yàn)所用裝置NP=5；t為由調(diào)速器控制，光電門感應(yīng)并由計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)速儀記錄的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)圈所用的時(shí)間. 可以通過控制t，即通過控制調(diào)速器的設(shè)定值來控制輸出次聲的頻率.

1. 3 聲場(chǎng)測(cè)量裝置

在聲學(xué)測(cè)量中將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲頻電信號(hào)的換能器叫做傳聲器[2]，目前應(yīng)用較廣的傳聲器有動(dòng)圈式傳聲器、電容式傳聲器和駐極體式傳聲器. 其中電容傳聲器具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬而平直、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[2]. 本文中傳聲器采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的BK4191電容式傳聲器，其靈敏度為12.5 mV/Pa，聲壓級(jí)測(cè)量范圍為20～162 dB，測(cè)量頻率范圍為3. 15～40 kHz，極化電壓為200 V.電容傳聲器與前置放大器之間通過阻抗變換器相連，前置放大器將電容傳聲器輸出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，并且能夠?qū)㈦娙輦髀暺鞯母咦杩馆敵鲛D(zhuǎn)換為低輸出阻抗，使其與后續(xù)放大電路阻抗相匹配，以便信號(hào)的傳輸. 采用美國泰克公司生產(chǎn)的TDS2024B數(shù)字示波器通過傅里葉變換對(duì)聲波的頻譜圖進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并且數(shù)字示波器會(huì)將所測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存于優(yōu)盤中，可以直接將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)其進(jìn)行處理與分析.

2 聲場(chǎng)的測(cè)量與分析

分別對(duì)不同條件下聲場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，用MATLAB對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而觀察和分析聲波的能量分布、繞射和散射特性和衰減特性等. 我們將聲源作為原點(diǎn)，聲源軸線面向探測(cè)器的方向?yàn)檩S，與之垂直的方向?yàn)檩S，組成一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系. 聲源與探測(cè)器的位置如圖3所示. 約定僅正壓氣室處于工作狀態(tài)(即單吹)為狀態(tài)1，僅負(fù)壓氣室處于工作狀態(tài)(即單吸)為狀態(tài)2，正壓氣室和負(fù)壓氣室同時(shí)處于工作狀態(tài)(即一吹一吸)為狀態(tài)3；P1表示測(cè)點(diǎn)(18.7,0)，P2表示測(cè)點(diǎn)(5.7,0)，P3表示測(cè)點(diǎn)(3. 13,0)；次聲波頻率為f；探測(cè)器的朝向始終沿-x方向.

圖3 聲源與探測(cè)器位置示意圖

2.1 測(cè)點(diǎn)P1處聲場(chǎng)的能量分布分析

由于彈性介質(zhì)的非線性，聲傳播過程中有諧波的存在. 某一頻率聲波的聲壓級(jí)[3]可以表示為：

(2)

式中pe為聲波的有效聲壓級(jí)；pref=2×10-5dB 為參考聲壓級(jí)，其值為 . 而聲波的平均聲能量密度[3]可由下式給出：

(3)

這里pe為聲波的有效聲壓級(jí)，ρ0為空氣介質(zhì)的密度，c0為聲波的速度. 根據(jù)式(2)和式(3)，可以得到基頻及各次諧波能量占總聲能量的比重為：

(4)

式中n=2,…,7,表示諧波的次數(shù)，其中n=1表示基頻.

狀態(tài)3，f=16.5 Hz測(cè)點(diǎn)位于P1時(shí)，探測(cè)器測(cè)得的聲音基頻及各次諧波的聲壓級(jí)和基頻及各次諧波能量占聲波總能量的比重如表1所示. 同時(shí)，圖4給出了狀態(tài)3，f=16.5 Hz測(cè)點(diǎn)位于P1時(shí)，探測(cè)器測(cè)得的頻譜圖. 從表1和圖4可以看到，存在大量高次諧波，且諧波的能量較高，基頻聲波能量占總聲能量的比重較低.

表1 聲波聲壓級(jí)和能量所占比重

圖4 狀態(tài)3， f=16.5 Hz，測(cè)點(diǎn)位于P1時(shí)測(cè)得的頻譜圖

2. 2 次聲的繞射和散射特性研究

聲波的繞射是指聲波能夠繞過物體或孔洞而繼續(xù)向開闊的空間輻射的現(xiàn)象. 而當(dāng)聲波遇到障礙物變成一個(gè)新的聲源向外輻射聲波的現(xiàn)象稱為聲波的散射. 聲波是否能夠發(fā)生繞射或散射取決于它遇到的障礙物的尺寸D與波長λ的相對(duì)值. 當(dāng)λ>10D時(shí)，聲波就會(huì)發(fā)生繞射，而當(dāng)D≤λ<10D時(shí)，則會(huì)發(fā)生散射. 聲波波長與頻率之間的關(guān)系如下：

(5)式中λ表示波長，c表示波速，f表示頻率. 由式(5)可知，20 Hz聲波的波長為17.2 m.可見，次聲波的頻率較低而波長較長，其波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般物體的尺寸. 因此，次聲波具有很好的繞射和散射特性. 在聲源與測(cè)試點(diǎn)之間放置障礙物，通過對(duì)比有無障礙物時(shí)測(cè)得的聲壓級(jí)情況，可以對(duì)次聲的這一特性進(jìn)行驗(yàn)證.

狀態(tài)1，f=10 Hz測(cè)點(diǎn)位于P3時(shí)，在測(cè)試點(diǎn)和聲源連線中點(diǎn)處放置普通的辦公用椅，將探測(cè)器測(cè)得的頻譜圖與未放置辦公用椅時(shí)探測(cè)器測(cè)得的頻譜圖作對(duì)比如圖5所示. 由圖5可以看到，有無障礙物時(shí)，聲波頻譜圖并無明顯差異. 次聲波具有良好的繞射特性這一性質(zhì)顯而易見. 這是因?yàn)橛墒?5)可知，10 Hz聲波的波長為34.4 m，而普通的辦公用椅的尺度大約在1 m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10 Hz聲波的波長.

圖5 有無障礙物時(shí)，10 Hz聲波頻譜對(duì)比圖

2.3 次聲的衰減特性研究

聲波在傳播過程中幅度會(huì)不斷較小，一方面是由于擴(kuò)散，使得聲場(chǎng)的能量密度不斷減??；另一方面聲波的能量通過不同的機(jī)制(分子吸收、熱傳導(dǎo)、和粘滯效應(yīng)等)被介質(zhì)吸收，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能. 大氣對(duì)聲的吸收[4]分為4個(gè)分量

α=α經(jīng)典+α轉(zhuǎn)動(dòng)+α攝動(dòng)(O2)+α攝動(dòng)(N2)

(6)

式中α經(jīng)典為由于煤質(zhì)中粘滯性和熱傳導(dǎo)引起的經(jīng)典吸收；α轉(zhuǎn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)弛豫的分子吸收；α振動(dòng)(O2)和α振動(dòng)(N2)分別為氧和氮的振動(dòng)弛豫分子吸收. 其中經(jīng)典吸收[4]α經(jīng)典(NP/m)可按下式計(jì)算：

(7)

式中ω為角頻率，ρ為密度(kg/m3)，c為聲速(m/s )，η為黏度，γ為煤質(zhì)的比熱比，κ為熱傳導(dǎo)率，cp為定壓比熱容. 可見，空氣對(duì)聲的吸收效應(yīng)與頻率有關(guān). 聲波的頻率越高，空氣對(duì)其吸收作用越明顯，反之，空氣對(duì)其吸收作用則越不明顯. 由于次聲的頻率低，空氣對(duì)次聲波的吸收很弱. 此外，次聲波在介質(zhì)中傳播還會(huì)受到介質(zhì)狀態(tài)的影響，其中包括溫度和密度等引起的聲波折射、風(fēng)場(chǎng)的存在對(duì)聲波傳播軌跡的影響及大氣湍流引起的聲波散射等[5]，且隨地域、季節(jié)、氣候等的變化而變化[5]. 次聲在傳播過程中衰減量較小，極低頻率的次聲可以擴(kuò)散到數(shù)以千里以外. 我們可以通過由近及遠(yuǎn)地測(cè)量聲源軸線上不同點(diǎn)處的聲壓級(jí)，并把所測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比來驗(yàn)證次聲波的這一特性.

圖6 聲源軸線上不同位置處聲波頻譜對(duì)比

表2 P2和P1處基頻聲壓級(jí)及差值

圖7 基頻聲壓級(jí)隨距離變化的曲線圖

2. 4 聲源強(qiáng)度對(duì)基頻聲壓級(jí)的影響研究

對(duì)于低速氣流，其密度可以認(rèn)為是恒定不變的，氣流能量方程[6]可由下式給出：

(8)

式中p為氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)(N/m2)，ρ為氣體密度(kg/m3)v為氣體流速(m/s)，c為常數(shù).而對(duì)于高速氣流，可將其看作實(shí)際絕熱壓縮氣流，氣流能量方程[6]為：

(9)

其中k為絕熱指數(shù)，對(duì)于空氣k=1. 4.可見，氣流能量與壓強(qiáng)、速度和密度有關(guān)，當(dāng)正壓氣室的輸出壓力改變時(shí)，氣流的能量會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的聲的能量隨之發(fā)生改變.

圖8為狀態(tài)3，f=10 Hz測(cè)點(diǎn)位于P2時(shí)，探測(cè)器測(cè)得的基頻聲壓級(jí)隨正壓氣室的輸出壓力變化的stem圖.可以看到增加正壓氣室的輸出壓力時(shí)，基頻聲壓級(jí)先增加而后基本保持不變，經(jīng)過對(duì)不同輸出壓力下諧波聲壓級(jí)的對(duì)比和分析，我們認(rèn)為這是因?yàn)檎龎簹馐业妮敵鰤毫υ龃蟮揭欢ǔ潭群笥懈嗟哪芰糠稚⒌街C波中造成的，使得聲波的發(fā)生效率降低.

圖8 改變正壓氣室的輸出壓力時(shí)，10 Hz聲波基頻聲壓級(jí)的變化

綜上所述，學(xué)生可以通過改變測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)值、聲波的頻率、正負(fù)壓氣室的工作狀態(tài)等，觀察所得頻譜圖中基頻聲波及各諧波的聲壓級(jí)，分析其變化規(guī)律. 同時(shí)也可以自由思考，并進(jìn)行就地實(shí)踐，對(duì)自己感興趣的問題進(jìn)行自主探索.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真和優(yōu)化

設(shè)置本實(shí)驗(yàn)我們還希望能夠培養(yǎng)學(xué)生物理建模的能力. 使學(xué)生在對(duì)COMSOL有一定了解的基礎(chǔ)上，通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中幾何模型的簡化與抽象、入射聲波壓力的數(shù)值近似和邊界條件等的設(shè)置，運(yùn)用COMSOL完成對(duì)聲場(chǎng)的模擬仿真. 另外，學(xué)生還可以通過改變次聲發(fā)生器的參數(shù)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和積極性.

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的“立推挽氣流激勵(lì)式”次聲發(fā)生器作為次聲源，不僅可以使學(xué)生通過測(cè)量對(duì)次聲波的特性進(jìn)行驗(yàn)證和了解，同時(shí)可以掌握聲場(chǎng)測(cè)量方法. 這樣不僅能使學(xué)生對(duì)次聲的特性有較深的理解和掌握，而且能夠激發(fā)學(xué)生思考和探索的積極性，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力. 相關(guān)軟件的使用和訓(xùn)練可提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力.所以在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中增加由“分立推挽氣流激勵(lì)式”次聲發(fā)生器作為次聲聲源的次聲發(fā)生及聲場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)是很有必要的.

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The application of infrasound measurement to physics experiment teaching

DONG Cai-xia1, HE Yan-lan1, YANG Wei-xin1, ZHAO Yun2, PENG Gang1

(1. College of Science, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073, China; 2. Institute of Marine Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073, China)

In college physics experiment, experiment on sound is less, more common is the use of the characteristics of ultrasonic wave to measure the sound velocity, and the study of infrasound source and the acoustic field distribution are rare. The “separation of push-pull flow modulation” infrasound generator we designed can do experiments of infrasound source and relevant acoustic field measurement, which can make students understand the characteristics of infrasound, the mechanism of energy conversion of the air-modulated infrasound source, and the basic method of sound field measurement. Using MATLAB to analyze the data measured in experiments and COMSOL to do sound field numerical simulation, can make the students know the distribution of sound field and directivity of the sound source. Thus which can broaden the students’ knowledge, improve the students’ ability of experiment and data processing and analysis.

separated push-pull; infrasound; instructional experiment

2016-02-25；

2016-04-11

董彩霞(1991—)，女，山西長治人，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院2014級(jí)碩士生.

物理實(shí)驗(yàn)

O 425

A

1000- 0712(2016)12- 0026- 04