CN218545890U - 一种利用手机实现驻波法测声速的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及声速测试装置的技术领域，尤其涉及一种利用手机实现驻波法测声速的装置，包括支撑架、固定于支撑架的空气管、设置于空气管一端的声波接收处理器、设置于空气管另一端的活塞、与活塞连接的驱动装置和声波发生器，所述驱动装置设置有刻度尺，所述声波接收处理器和声波发生器均为手机。本实用新型利用手机作为传感器和处理器，该装置操作简单方便，可以大大降低数据处理工作量，测量误差在1％以内；本装置是用手轮而不是直接移动活塞改变空气柱长度，即：通过摇动手轮带动丝杆、活塞，改变空气柱长度，操作简便，均速移动活塞，极大提高测量准确度。

Description

一种利用手机实现驻波法测声速的装置

技术领域

本实用新型涉及声速测试装置的技术领域，尤其涉及一种利用手机实现驻波法测声速的装置。

背景技术

目前，大学物理测声速实验主要是用超声波测速仪。传统的声速测量用驻波法或相位法测波长，示波器测频率，操作复杂，容易出错，测量数据手工处理，计算量大；而本装置只需要两部手机，分别用手机上的Phyphox软件作为传感器和Spectrum软件收集并处理数据，空气柱活塞移动通过摇动手轮来控制，使声速测量操作更简便。

现有的基于手机app测声速方案只能进行声速的测量，没有考虑外界环境变化对声速的影响。本实验装置通过用单片机控制电热丝温度变化，将电热丝捆绑在空气柱外进行加热，考虑了温度对声速的影响。此外，本装置里空气筒中活塞是可以替换的，通过在活塞平面上覆盖金属片或木片等其他材料，探讨不同材质的反射面对声速的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种利用手机实现驻波法测声速的装置，利用手机作为传感器和处理器，该装置操作简单方便，可以大大降低数据处理工作量，测量误差在1％以内。

本实用新型采用如下技术方案：一种利用手机实现驻波法测声速的装置，包括支撑架、固定于支撑架的空气管、设置于空气管一端的声波接收处理器、设置于空气管另一端的活塞、与活塞连接的驱动装置和声波发生器，所述驱动装置设置有刻度尺，所述声波接收处理器和声波发生器均为手机。

优选地，所述驱动装置包括固定于支撑架的梯形丝杆、与梯形丝杆配合的螺母、与螺母固定的游标卡尺，所述游标卡尺的滑块与螺母相连，所述游标卡尺的深度尺与活塞相连。

优选地，所述梯形丝杆的顶端设置有手轮。

优选地，所述空气管外侧缠绕有电加热丝，所述空气管内设置有温度探头，所温度探头和加热丝通过单片机电性连接。

优选地，所述空气管为石英管。

本实用新型的效果为：1、利用手机作为传感器和处理器，该装置操作简单方便，可以大大降低数据处理工作量，测量误差在1％以内。

2、由于空气柱中的活塞是可以替换的，本装置可以通过在活塞平面上覆盖金属片或木片等其他材料，探讨不同材质的反射面对声速的影响。

3、本装置是用手轮而不是直接移动活塞改变空气柱长度，即：通过摇动手轮带动丝杆、活塞，改变空气柱长度，操作简便，均速移动活塞，极大提高测量准确度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图中的标记为：1、支撑架；2、空气管；3、声波接收处理器；4、活塞；5、驱动装置；51、梯形丝杆；52、螺母；53、游标卡尺；54、手轮；6、声波发生器；7、加热丝；8、温度探头；9、单片机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

由图1所示，一种利用手机实现驻波法测声速的装置，包括支撑架1、固定于支撑架1的空气管2、设置于空气管2一端的声波接收处理器3、设置于空气管2另一端的活塞4、与活塞4连接的驱动装置5和声波发生器6，所述声波接收处理器3和声波发生器6均为手机。

本实用新型的装置，使用时，驱动装置5驱动活塞4位于不同的位置，改变空气柱的长度，并通过刻度尺读出活塞4的进程，通过充当声波发生器6的手机发出固定频率的声波，通过充当声波接收器的手机接收声波并以图表的形式将声波的振幅可视化。

在充当声波发生器6的手机上安装phyphox软件作为音频发生器，产生不同频率的声波。phyphox app是一款功能非常强大的传感器软件。通过phyphox可直接获取且通过其分析数据，定义实验，检测数据一键分享出去等。本实验中设置起止频率范围在100HZ～8000HZ间，根据操作需要设置恒定频率。充当声波接收器的手机作为波谱仪，其上安装Spectrum软件，用户显示声波振幅的变化。Spectrum是一款音频频谱分析软件，可分析采集到的声波数据，以频谱图的形式展现出来，可以实时显示分贝，频率等声波相关的数据，还可以记录声波的峰值；当声音在空气管2内振动满足驻波形成条件时，波谱仪检测到最大振幅，此时波谱仪上的图像有一个柱形与黄线平齐，图像固定不变。实验时，将PEAKS模式调整为Hold，GRAPH模式调整为Bars。

本实施例中，所述驱动装置5包括固定于支撑架1的梯形丝杆51、与梯形丝杆51配合的螺母52、与螺母52固定的游标卡尺53，所述游标卡尺53的滑块与螺母52相连，所述游标卡尺53的深度尺与活塞4相连，使声波在空气管2内形成驻波。

本实施例中，所述梯形丝杆51的顶端设置有手轮54。

本实施例中，所述空气管2外侧缠绕有电加热丝7，所述空气管2内设置有温度探头8，所温度探头8和加热丝7通过单片机9电性连接。

通过温度探头8实时监控空气管2的温度，通过加热丝7对空气管2进行加热，温度探头8将实时温度反馈给单片机9，单片机9通过反馈的温度控制电热丝加热与否。

本实施例中，所述空气管2为石英管，活塞4为具有反射面材料的活塞4。

梯形丝杆51上的螺母52通过金属连接杆与游标卡尺53的滑块相连，而游标卡尺53的深度尺又与活塞4连接，塞在玻璃管中，通过旋转梯形丝杆51控制空气管2中空气柱的长度，旋转梯形丝杆51上的手轮54，可以控制游标卡尺53滑块的升降，进而控制活塞4在空气管2内的移动，达到改变空气柱长度的目的。游标卡尺53的深度尺与空气管2内活塞4连接，用来改变玻璃管内空柱的长度，长度可直接在游标卡尺53上读出。

本实用新型的装置通过旋转梯形丝杆51的手轮54，控制游标卡尺53的滑块、活塞4移动，进而改变空气管2中空气柱的长度；空气柱长度改变的过程中，在充当声波接收器的手机上观察声波的振幅的变化，当达到最高点时停止旋转手轮54，记录此时游标卡尺53的读数。接着继续旋转手轮54，记录每次声音达到最高点的游标尺卡尺的读数，将相邻两次的读数相减即可得半波长。

本实验是基于驻波法测声速的原理设计的：一列固定频率声波在一端密闭的管内传波，在某个长度的管口与其发射波叠加，此时的管口为波腹，即声音最大或最小的位置。相邻的两波峰之间的距离即为半波长。

驻波方程：

y1＝Acos(ωt-kx+β1) (1)

y2＝Acos(ωt-kx+β2) (2)

其中

则合成的波为：

由波腹的定义，波腹所处的位置满足max{y(x，t)}＝2A，

即|cos(kx+(β2-β1)/2)|＝1

于是

这里

为0

则

当

时，振幅最大，相邻的波腹间的距离为半个波长。只要测出几组开口一段波峰时距底部的距x1，x2，x3......，那么波长λ＝2(x2-x1)，利用逐差法对所测得数据进行处理，最后得出波长λ，其次用手机的音频发生器发出固定频率f的声波，根据公式c＝λf，可以测出声速。

采用本实用新型的装置的具体步骤如下：

1.打开充当声波发生器6的手机上的音频发生器，将频率调为4000HZ并且使手机音量最大，能听到从耳机传出来的声音；

2.打开充当声波接收处理器3的手机的软件，旋转手轮54，使声音经过一次最大值，让充当声波接收处理器3的手机记录声音最大的振幅为位置；

3.将活塞4位置调至最低处，此时旋转手轮54，让活塞4上升，在声音增大时，减缓上升速度，当充当声波接收处理器3的手机上显示最大值时，停滞几秒，页面没有变化则记录此时游标卡尺53的读数；

4.继续进行第3步的操作，直至读出4～5组数据；

5.将电热丝缠绕在空气管2上，活塞4上装上温度探头8，打开单片机9上的开始开关，待其温度达到所需值时，进行1～4过程的实验操作。

探讨温度影响的实验数据：

表1频率：5000HZ温度：28℃

声速计算公式为：

由方差合成原理求v的不确定度计算公式，由

ΔL的A类不确定度

ΔL的

ΔL的总不确定度

输出频率f的不确定度

速度和合成不确定度

则测量结果可表示为v＝(343.7±0.5)ms^-1 (13)

本实用新型的装置具有以下效果：

1、现有技术中的的声速测量没考虑温度的影响，通过本实用新型的装置，可测量出20℃到60℃温度范围内，声速随温度变化的关系，用于验证理论公式的正确性。

2、由于空气柱中的活塞4是可以替换的，本装置可以通过在活塞4平面上覆盖金属片或木片等其他材料，探讨不同材质的反射面对声速的影响。

3、本装置是用手轮54而不是直接移动活塞4改变空气柱长度，即：通过摇动手轮54带动丝杆、活塞4，改变空气柱长度，操作简便，均速移动活塞4，极大提高测量准确度。

以上所述是本实用新型的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用手机实现驻波法测声速的装置，其特征在于：包括支撑架、固定于支撑架的空气管、设置于空气管一端的声波接收处理器、设置于空气管另一端的活塞、与活塞连接的驱动装置和声波发生器，所述驱动装置设置有刻度尺，所述声波接收处理器和声波发生器均为手机。

2.根据权利要求1所述的利用手机实现驻波法测声速的装置，其特征在于：所述驱动装置包括固定于支撑架的梯形丝杆、与梯形丝杆配合的螺母、与螺母固定的游标卡尺，所述游标卡尺的滑块与螺母相连，所述游标卡尺的深度尺与活塞相连。

3.根据权利要求2所述的利用手机实现驻波法测声速的装置，其特征在于：所述梯形丝杆的顶端设置有手轮。

4.根据权利要求1所述的利用手机实现驻波法测声速的装置，其特征在于：所述空气管外侧缠绕有电加热丝，所述空气管内设置有温度探头，所温度探头和加热丝通过单片机电性连接。

5.根据权利要求1所述的利用手机实现驻波法测声速的装置，其特征在于：所述空气管为石英管。

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