基于聲卡和Audacity軟件的固體聲速測量

陳丹慧 葉澤波 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東廣州 510006)

在物理實驗的教學中，聲速的測量與應用是非常重要的基礎實驗，由于固體介質中聲速傳播較快，當前對于固體聲速的測量研究較少，中學物理教材對于固體聲速的探究僅是提及固體能傳聲以及提供一些固體中的聲速參考，沒有開展有關固體中聲速的測量實驗.

對固體聲速的測量，文獻[1]提出利用脈沖光聲技術測量固體聲速的方法；文獻[2]用駐波法測定固體中的聲速；文獻[3]利用DIS數字信息系統采集處理聲波信號，從波形圖中得到周期與基頻進而計算固體材料的聲速.已有的學者測量固體聲速的方法都能巧妙地測得固體聲速，但都需要較為專業的設備.

本實驗使用聲卡和Audacity軟件解決了利用時間差法原理測量聲速實驗中準確測量時間差的關鍵問題，僅需普通的耳機便可實現在較短距離內有效、精確地測得固體材料的聲速.

1 測量原理及方法

1.1 硬件結構和基本原理

本實驗用于測量固體材料聲速的方法是時間差法，如圖1所示，緊貼著固定且拉緊的固體材料兩端分別放置左右側耳機用于拾取聲音信號，在固體材料中的任意位置(非中點)進行敲擊發出聲音作為聲源.聲波在固體材料中進行傳播，由于聲源(敲擊點)與接收裝置處于同一直線上，且聲源到達兩側接收裝置的距離不同，因此聲音到達兩個接收裝置的時間有先后之差，若能精確測量得到Δt，利用公式

圖1 時差法原理圖

(1)

即可求出對應該固體材料的聲速，式中d1和d2表示兩耳機到聲源的距離，Δt為兩聲音信號到達耳機的時間差.

用于聲音采集的是不帶麥克風的耳機，耳機頭部分與動圈式麥克風構造原理相同，可直接充當麥克風使用，無需改造.

1.2 軟件實現部分

電腦的音頻輸入主要有麥克風輸入(mic in)和線路輸入(line in)兩種方式.目前大多數的電腦麥克風輸入接口全都是單通道輸入方式，無法將先后得到的音頻信號分別顯示在兩條音軌上，因此也無法得到時間差，而聲卡的線路輸入(line in)端口是雙通道輸入[4]，可以實現兩個通道分別收集聲音信號.

在時差法原理測量固體聲速的實驗中，準確地測量聲波在固體介質中的傳播時間是實驗的關鍵，假設距離差為2 m,固體聲速為3 000 m/s，可算得傳播時間約為0.6 ms，因此需要精度非常高的計時工具，普通計算機的聲卡采樣頻率可以達到48 000 Hz,即采樣時間間隔可以達到0.020 8 ms[5]，精度滿足固體聲速的測量要求.

Audacity軟件是一種免費的音頻剪輯軟件，可以將采集到的聲音信號分為左右聲軌顯示,放大音軌即可看出兩個聲道之間音頻信號及其微小的時間差.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，將待測固體細線的兩端分別穿過一次性紙杯杯底，并將一次性紙杯分別固定在鐵架臺上，用耳機緊貼在固體材料的兩側用于收集在固體材料中傳播的聲音信號，同時耳機插頭插入電腦的線路輸入(Line in)接口，實時將收集到的聲音信號分別輸入電腦.

圖2 實驗裝置圖

3 實驗內容

基于計算機聲卡和Audacity軟件，利用時差法原理測量不銹鋼線、T2型紫銅線、H59型黃銅線3種固體材料中的聲速，并將實驗結果與理論值進行比較從而驗證該方法的準確性.

(1)選取適當長度的待測固體細線，將其穿過一次性杯子底部，固定在鐵架臺上，并測量其長度(注意鐵架臺需要放置于不同桌面上，以減少其他途徑的傳播帶來對實驗結果的影響).

(2)將用于拾取聲音的左右兩側耳機緊貼固定于固體材料兩側，插頭接入電腦計算機聲卡輸入插孔，打開Audacity軟件做好聲音采集準備.

(3)點擊Audacity軟件的錄制按鈕，在與固體材料一側距離d1處用力地敲擊或彈固體材料，發出聲音，然后停止錄制.

(4)以波形(dB)為縱坐標，顯示采集到的聲音信號，如圖3所示，放大音軌就可以看出左右聲道中兩個聲音信號之間的時間差Δt，選取每一次敲擊(或彈)時兩個聲音信號的第一個波形進行放大(圖4)并讀出時間差Δt(由于后面的聲音易受干擾，因此選擇第一個波形).

圖3 左右聲道聲音信號采集圖

圖4 聲音信號局部放大圖

(5)改變d1，重復步驟(3)和(4)進行實驗和數據采集，即可得到對應的時間差，利用式(1)可以得到聲速.

4 數據處理

4.1 不銹鋼線

選取不銹鋼細線進行實驗，實驗數據如表1所示.

表1 不銹鋼細線中聲速測量數據表

4.2 T2型紫銅

選取T2型紫銅細線進行實驗，實驗數據如表2所示.

表2 T2型紫銅細線中聲速測量數據表

4.3 H59型黃銅線

選取H59型黃鋼細線進行實驗，實驗數據如表3所示.

表3 H59型黃銅細線中聲速測量數據表

將測得的各種固體細線聲速與文獻[6]中列出的不銹鋼、紫銅、黃銅中的聲速理論值(v不銹鋼理論=5 000 m/s，v紫銅理論=3 750 m/s和v黃銅理論=3 480 m/s)比較，結果在正常誤差范圍內，說明了該方法的正確性；對同一材料的不同距離差進行多次測量，所測得的聲速基本相同，相對誤差總體不超過5.5%，說明該方法的精確性.

利用電腦聲卡和Audacity軟件測量固體聲速的實驗方法實現了簡單的軟件測量固體聲速，與實驗室現有利用其他專業工具測得的固體聲速結果相比，兩者準確性相當，但前者可行性更高，適合不具備專業條件的中學開展相關的探究和實驗.

5 結束語

本實驗利用時間差法原理，結合電腦的聲卡輸入和Audacity軟件得到精確的時間差，計算得到304不銹鋼線、H59型黃銅線、T2型紫銅線等3種不同固體細線材料中的聲速，實驗測得的各固體聲速結果一致性較高，并且各金屬材料的測量值與理論值的相對誤差小于5.5%.基于電腦的聲卡輸入和Audacity軟件的聲速測量方法存在以下特點：直觀的圖像可以使學生更好地理解實驗原理，實驗取材與操作簡單，實驗測量結果準確.