暖水壺注水過(guò)程中的聲音音調(diào)變化實(shí)驗(yàn)研究

張文宇

摘 要：日常生活中，人們向暖水壺等盛水容器中倒水時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種人耳可辨的聲音，且這種聲音會(huì)隨著倒水越來(lái)越多而不斷變化音調(diào)。有經(jīng)驗(yàn)的人也會(huì)通過(guò)注水時(shí)聲調(diào)的變化來(lái)判斷盛水容器是否即將倒?jié)M。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窍Ｍㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)研究采集準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)說(shuō)明暖水壺注水過(guò)程中，聲音的音調(diào)變化確實(shí)是隨著水面越深，空氣柱越來(lái)越短而音調(diào)不斷升高的。

關(guān)鍵詞：暖水壺注水；聲音；實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0191-02

為更好地消除環(huán)境噪聲，采集到低噪聲的暖水壺注水聲音，本次實(shí)驗(yàn)借鑒北京航空航天大學(xué)陸士嘉實(shí)驗(yàn)室的暑期科技實(shí)踐開放活動(dòng)?xùn)|風(fēng)，利用D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞的消聲室和聲學(xué)測(cè)量設(shè)備的遠(yuǎn)場(chǎng)麥克風(fēng)，實(shí)測(cè)暖水壺注水聲音，并利用小波分析的數(shù)學(xué)方法，定量研究暖水壺注水過(guò)程中聲音音調(diào)隨時(shí)間的變化。然后，以圓形空腔作為暖水壺、水杯、水桶等這一類注水問(wèn)題中的簡(jiǎn)化模型，利用運(yùn)動(dòng)流體流過(guò)不同深度空腔，將產(chǎn)生類似不同聲調(diào)的腔聲現(xiàn)象，來(lái)研究注水過(guò)程中聲音的產(chǎn)生機(jī)理及聲音的性質(zhì)。本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步將暖水壺簡(jiǎn)化為可變深度的圓形空腔，在北航D5風(fēng)洞中做了一組不同深度圓腔，其腔聲的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 北航D5風(fēng)洞

北京航空航天大學(xué)陸士嘉實(shí)驗(yàn)室的1米*1米氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞（D5風(fēng)洞）是一座低速、低湍流度、低噪聲回流氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞（如圖1）。該風(fēng)洞的消聲室尺寸為7米（高）*6米（長(zhǎng)）*6米（寬）。消聲室的主要功能是為聲學(xué)測(cè)試提供一個(gè)自由聲場(chǎng)空間或半自由聲場(chǎng)空間。D5風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室為全消聲室。

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的是PULSE Labshop系統(tǒng)進(jìn)行噪聲測(cè)量與數(shù)據(jù)采集。PULSE系統(tǒng)是丹麥B&K;公司于1996 年推出的世界上首個(gè)噪聲、振動(dòng)多分析儀系統(tǒng)，能同時(shí)進(jìn)行多通道、實(shí)時(shí)、FFT、CPB、Overal總級(jí)值等分析。PULSE系統(tǒng)的平臺(tái)包括軟件、硬件兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集前端如圖2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

暖水壺注水過(guò)程中的實(shí)測(cè)模型如圖3所示。在北航D5風(fēng)洞消聲室中，利用B&K;公司的自由場(chǎng)傳聲器采集向暖水壺注水過(guò)程中聲音隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圓形空腔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。在北航D5風(fēng)洞中對(duì)四種不同深度的圓形空腔在來(lái)流風(fēng)速為45m/s的情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圓形空腔的尺寸如下：直徑為200mm，深度可變，有50mm，100mm，150mm和200mm四種分別記為C1，C2，C3，C4。見(jiàn)表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 暖水壺注水過(guò)程實(shí)測(cè)結(jié)果

人耳聽(tīng)音時(shí)就像諧波分析器一樣，可把聲音的基波和各諧波分解，如1822年提出的傅立葉級(jí)數(shù)分析方法。該理論對(duì)聲學(xué)發(fā)展起了很大作用，是分析聲波的最有效工具。因注水過(guò)程，音調(diào)在發(fā)生變換，是一個(gè)典型的時(shí)域非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，無(wú)法利用傅立葉變化。但是，利用小波變換分析，可以較好的辨析注水過(guò)程中主頻的變化。

圖5暖水壺注水過(guò)程中隨著時(shí)間變化，注水越來(lái)越多時(shí)，聲音強(qiáng)度隨頻率和時(shí)間變化的云圖。

由圖5可知，前7秒，主頻在700Hz，隨著時(shí)間的推移，主頻慢慢增大到1300Hz。因此，小波分析定量的辨析了暖水壺注水過(guò)程中主頻越來(lái)越大的現(xiàn)象，即聲音的音調(diào)越來(lái)越高。這種越來(lái)越高音調(diào)的原因，是由于暖水壺中空氣柱長(zhǎng)度發(fā)生變換引起的嗎？我們進(jìn)一步做了一組變深度的圓腔實(shí)驗(yàn)，試圖驗(yàn)證該解釋。

2.2 圓腔變深度測(cè)量結(jié)果

圓形空腔在來(lái)流速度為45m/s時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)，不同深度圓腔產(chǎn)生的腔聲都出現(xiàn)多個(gè)峰值，這些峰值對(duì)應(yīng)著不同的聲共振模態(tài)。這是由于空腔附近的噪聲源在空腔內(nèi)部產(chǎn)生駐波，從而產(chǎn)生一個(gè)頻率由空腔尺寸決定的共振噪聲。當(dāng)聲波在空腔中傳播時(shí)，會(huì)根據(jù)空腔的尺寸在深度方向、流向、展向（圓腔就是在徑向）上形成駐波，從而放大了噪聲形成純音，因?yàn)樵摤F(xiàn)象是純粹的聲學(xué)現(xiàn)象，所以純音頻率只與空腔的尺寸有關(guān)，與來(lái)流速度沒(méi)有關(guān)系。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，圓腔聲共振特征頻率為：

其中λ為徑向方向的特征值，N為深度方向的模態(tài)，H為空腔深度，D為空腔直徑，r為空腔半徑。其中，聲共振的模態(tài)數(shù)只能為奇數(shù)，即N=1，3，5……，α為修正系數(shù)。由此可知，深度的減小將導(dǎo)致頻率的增加。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的驗(yàn)證了上述公式。以紅色框中選中的頻率為例，可以發(fā)現(xiàn)隨著深度從C4逐漸減小到C1，對(duì)應(yīng)的尖峰的頻率也是逐漸變大的。另外，在別的頻率范圍內(nèi)也有類似的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)暖水壺注水過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)簡(jiǎn)化的一般模型圓形空腔進(jìn)行的變深度實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，圓形空腔聲共振的頻率是隨著深度的減小逐漸增大的。由此說(shuō)明在向暖水壺中灌水時(shí)，能引起暖水壺中空氣柱的振動(dòng)而發(fā)聲。水未滿時(shí)，空氣柱較長(zhǎng)，振動(dòng)頻率低，音調(diào)低。隨著水面的升高，空氣柱長(zhǎng)度逐漸變短，振動(dòng)頻率逐漸變高，音調(diào)逐漸變高。由此，日常生活中向暖水壺中注水時(shí)，通過(guò)聲音音調(diào)的變化來(lái)判斷注水量的多少所蘊(yùn)含的科學(xué)道理，為人們的經(jīng)驗(yàn)行為提供了理論依據(jù)。