靈感來自分析

第22屆天津市青少年科技創新大賽剛剛落下帷幕。此次以“青少年科技博覽杯”命名的創新設計競賽，吸引了眾多青少年朋友的關注與參與。其中不少參賽選手獨特的研制思路和方法，得到了評委和專家的好評。在此我們選登一些，請大家一起體驗他們的創新歷程。

接到競賽題目后，我對創新制作課題要求和評分方法進行了分析，由此我總結出兩點研制要點：第一，將測量的模擬量轉換成數字信號輸入計算機，要選擇一個好的輸入端口；第二，使用的元器件越少越好。于是，我開始分析幾種輸入接口和測量方法所用元器件的優缺點。聲卡line in口、聲卡MIC口可以輸入信號，而且聲卡的輸入端口本身就是一個16位分辨率44kHz采樣頻率的AD轉換芯片，只不過輸入電壓范圍不詳。看來，要想使用最少的元器件向計算機輸入模擬量，最好的輸入端口就只有從聲卡下手了。

選擇好輸入端口后，再選擇測量方法。測量水壓差、超聲波測液面高度差需要使用壓力傳感器和超聲波傳感器，自制傳感器太復雜，技術能力不足，放棄。只有稱重和測電容兩種方法了。稱重簡單，使用彈簧拉動滑動變阻器，產生一個可以輸入聲卡的電壓信號就可以了。方法有了，再繼續實現想法吧。首先上網查找聲卡的電壓輸入范圍，找了一小時，沒找到，我心情十分低落。先洗一下臉，再繼續找。晶瑩的水珠從我手邊滑落，滴落在水盆中濺起了無數水花，發出了清脆的水聲。“水聲！”一個念頭在我的腦中快速閃現，將“水流聲”輸入進計算機，水多流出時間長，水少流出時間短，不就可以測量水的體積嗎？錄音只需要一個麥克風，一個元器件就可以完成任務了，再沒有什么方法比我的這種方法所用元器件少啦！

靈感有了，接下來就是要設法實現。我錄了一段水流直接滴入水面的聲音，使用音頻編輯軟件觀察聲音的波形。波形顯示錄音的音量太小，調節MIC的輸入音量，調整出水口的高度，力爭錄到最大的音量。努力半天，音量還是太小，不能有效地區分背景聲和噪聲，測量就不能正常進行。一個完美的方法眼看著就要失敗了。繼續試，讓麥克風離水花再近一些。“咚，咚！”兩聲巨響過后，沒聲了。不好，水落在了麥克風上了，麥克風被燒壞了。麥克風雖然壞了，我的心情卻一下子好了起來。我猛然想到：“水流直接落在麥克風上，不就可以錄到我需要的最大音量了嗎？”果然，這次小小的意外失誤，解決了困擾我多時的難題。

在老師的指導幫助下，我開始制作溢水裝置和編制錄音分析的程序。溢水裝置，我使用了一段110mm的廢排水管和一個飲料瓶，又制作了一個圓的支架，套上一個氣球，既可以防水又可以放大聲音。在氣球內安裝一個耳麥的麥克風。程序的編制也非常簡單，分析錄音后的波形文件，找到一個合適的音量值，編制了去除開始和結束時的無用數據，保留待測物體溢出水的有效水流時間程序。

使用這個程序，通過對不同體積水的多次測量，記錄水流時間，求平均值，就可以建立一個對應不同體積的數據列表。將數據列表導入程序，作為標準值，將每次測量值同標準值進行比對，于是任何不規則物體的體積都可以被測量出來。

（作者：天津市第四中學學生；指導教師：任莉、邵立）