力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)-音叉振動(dòng)合成拍現(xiàn)象及頻譜分析

實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬試驗(yàn)?zāi)康?觀看音叉的振動(dòng)聲放大、共振聲放大、拍振動(dòng)聲放大現(xiàn)象。試驗(yàn)原理:音叉的共振現(xiàn)象稱為共鳴。假設(shè)兩個(gè)音叉的頻率一樣，敲擊一個(gè)音叉發(fā)聲所激發(fā)的空氣振動(dòng)可引發(fā)另一個(gè)音叉振動(dòng)發(fā)聲；假設(shè)兩音叉的頻率不同，則不會(huì)有共鳴。轉(zhuǎn)變音叉的頻率，可承受在音叉臂上附加重物的方法，例如滴蠟，繞以銅絲、套橡膠圈等。也可以如本試驗(yàn)，做兩個(gè)金過(guò)快。設(shè)受迫振動(dòng)系統(tǒng)的角頻率為 ，周期性籌劃力的角頻率為，當(dāng)受迫振動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的振幅為：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬上式對(duì) 求導(dǎo)，并令，可得： 。由兩個(gè)振動(dòng)方向一樣，頻率略有差異的振動(dòng)合成時(shí)，就會(huì)形成拍。實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬〔2〕〔2〕1、2〔兩者相隔肯定距離〕，用橡皮錘敲響音叉1，使之振動(dòng)，稍待一會(huì)兒隨即握住此音叉使它停振，在安靜的室內(nèi)可清楚地聽(tīng)到音叉的聲響。這是由于音叉1雖已停振，但在停振以前，通過(guò)空222即可證明。設(shè)兩個(gè)分振動(dòng)分別為：合成后的振動(dòng)方程為： ；這個(gè)合成的振動(dòng)中，振幅為：可見(jiàn)，振幅是周期性變化的，其頻率為： ，這個(gè)頻率稱為拍頻。動(dòng)的頻率不同，可作振動(dòng)方向一樣而頻率不同的兩個(gè)振動(dòng)的合成演示。裝置：頻率一樣的音叉2動(dòng)的頻率不同，可作振動(dòng)方向一樣而頻率不同的兩個(gè)振動(dòng)的合成演示。裝置：頻率一樣的音叉2支、橡皮錘、共鳴箱現(xiàn)象演示〔1〕將一支音叉接至共鳴箱，并用橡皮錘敲擊音叉，聽(tīng)其振動(dòng)聲。實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：1109PB092103402023-11-21系級(jí)姓名張宇鵬1111系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21〔3〕〔3〕用計(jì)算機(jī)的聲卡采集音叉振動(dòng)信號(hào),爭(zhēng)論了兩個(gè)音叉振動(dòng)合成拍現(xiàn)象【演示步驟】本軟件界面如圖所 示，軟件可通過(guò)計(jì)算機(jī)外接麥克風(fēng) 對(duì)聲音數(shù)據(jù)采樣、顯示，并進(jìn)展頻— 幅分析:使用前的說(shuō)明:1、在使用軟件前,請(qǐng)確保 麥克風(fēng)等硬件已與計(jì)算機(jī)正確相連;2、在程序窗口的左上方, 【幅值最大的頻率數(shù)據(jù)框顯示的是 當(dāng)前波形各個(gè)重量中振幅最大的那 個(gè)重量的頻率;3、在【時(shí)間設(shè)置】框, 【刷時(shí)間表示的是當(dāng)前采樣顯 示的時(shí)間寬度(即在屏幕上一次顯示 多長(zhǎng)時(shí)間的波形數(shù)據(jù)),該時(shí)間寬度 不能小于0.01秒,【采樣時(shí)間】表 示的是假設(shè)要保存波形數(shù)據(jù),那么保 存多長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù);4【采樣頻率】框內(nèi),您 可以選擇設(shè)置當(dāng)前的采樣頻率,共有 四個(gè)選項(xiàng),分別是11025點(diǎn)/S,22050點(diǎn)/秒,44100點(diǎn)/S,88200點(diǎn)/S(請(qǐng)留意,并不是全部計(jì)算機(jī)都能到達(dá)這四種采樣頻率的,必要依據(jù)具體的計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)展設(shè)置,我們推存您使用程序的默認(rèn)設(shè)置);使用步驟:點(diǎn)擊【翻開(kāi)設(shè)備】按鈕,假設(shè)上方的指示燈亮了的話,說(shuō)明硬件已被正常翻開(kāi),假設(shè)不亮,請(qǐng)檢查硬件連接是否正常;〔時(shí)該按鈕會(huì)變成【停頓采集】,您假設(shè)想取消本次采集,點(diǎn)擊它就行了；時(shí)間,另一行是聲波振幅;當(dāng)關(guān)閉設(shè)備后,點(diǎn)擊【清屏】按鈕,可以去除當(dāng)前屏幕上的全部曲線;點(diǎn)擊【清空表格】按鈕,可以從【數(shù)據(jù)表格】中去除全部的數(shù)據(jù);Word文檔,【數(shù)據(jù)表格】中的數(shù)據(jù)生成為Excel格式,自動(dòng)生成完成后,您可以自己選擇保存路徑;Excel來(lái)觀看它;拓展試驗(yàn)：音叉振聲頻譜分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像：一、音叉共振聲放大現(xiàn)象上圖為音叉共振聲音放大試驗(yàn)圖像，在圖中3.00s時(shí)，試驗(yàn)人員將鳴響音叉的共振音叉引入，又于6.20s四周將其移走，在圖中可以明顯的觀看到在有共振音叉放置的時(shí)間內(nèi)聲音的震驚波形的振幅要大于沒(méi)有共振音叉時(shí)的振幅，這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果明確的驗(yàn)證了共振聲放大現(xiàn)象。二、音叉振聲的頻譜分析試驗(yàn)中利用試驗(yàn)室給出的Matlab程序針對(duì)440Hz的音叉的單獨(dú)振聲和共振振聲做頻譜分析，為減小試驗(yàn)中噪聲的干擾，故將試驗(yàn)儀器轉(zhuǎn)移至較為安靜的試驗(yàn)樓走廊中進(jìn)展。下為試驗(yàn)圖像。11系09級(jí)11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21440Hz音叉二號(hào)440Hz音叉共振512Hz音叉共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬2023-11-2111 系 09 級(jí) 學(xué)號(hào)PB09210340 姓名 張宇鵬 日期2023-11-21440Hz(512Hz)440Hz(512Hz)。由于試驗(yàn)員本身用來(lái)處理數(shù)據(jù)的軟件亦是Matlab,而Origin在這一方面的專業(yè)程度尚不如Matlab,故在此不再多此一舉的對(duì)數(shù)據(jù)再做傅立葉快速變化去求其頻譜分解了(試驗(yàn)中所用的源程序本身就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展擬合后求其傅里葉變換的程序)……備注:試驗(yàn)中的matlablu4.m:AI=analoginput(”winsound”);%創(chuàng)立聲卡設(shè)備對(duì)象chan=addchannel(AI,1); %添加聲卡通道duration=1; %設(shè)置采樣時(shí)間set(AI,”SampleRate”,8000); %設(shè)置采樣頻率ActualRate=get(AI,”SampleRate”);%獵取設(shè)備的實(shí)際采樣頻率%設(shè)置每次觸發(fā)的采樣次數(shù)和觸發(fā)方式為手動(dòng)set(AI,”SamplesPerTrigger”,duration*ActualRate);set(AI,”TriggerType”,”Manual”);%獵取采樣頻率和觸發(fā)采樣次數(shù)blocksize=get(AI,”SamplesPerTrigger”);Fs=ActualRate;start(AI); %啟動(dòng)并觸發(fā)設(shè)備trigger(AI);data=getdata(AI); %獵取數(shù)據(jù)%調(diào)用daqdocfft對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)展FFT變化[f,mag]=daqdocfft(data,Fs,blocksize);%繪制頻譜圖plot(f,mag);gridon;xlabel(”頻率(Hz)”);ylabel(”幅度(分貝)”);title(”調(diào)音叉的頻率成分”);%去除設(shè)備delete(AI);clearAI[f,mag]=daqdocfft(data,Fs,blocksize)%data樣本值;Fs采樣頻率;%blocksize每次觸發(fā)采樣的多少;%f－頻率;mag－幅度xfft=abs(fft(data));index=find(xfft==0);xfft(index)=1e-17;mag=20*log10(xfft);mag=mag(1:floor(blocksize/2));f=(0:length(mag)-1)*Fs/blocksize;f=f(:);程序完畢。實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21三、不同頻率的音叉振聲的疊加上圖為512Hz的音叉和440Hz的音叉的振聲疊加圖像，可以明顯的看出其疊加的現(xiàn)象，故不再多做表達(dá)。此圖像為440Hz音叉與在音叉頂部套了金屬環(huán)的440Hz的音叉的振聲疊加圖像,可以較明顯的看出此聲音是由兩組聲音的波形疊加而成。11系11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21四、在音叉上附加物件對(duì)音叉振聲基頻的影響440Hz音叉+金屬環(huán)(頂部)振聲拍的測(cè)量440Hz音叉+金屬環(huán)(中部)振聲拍的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分：11系09級(jí)PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21440Hz音叉+金屬環(huán)(根部)振聲拍的測(cè)量下表為試驗(yàn)中的測(cè)量數(shù)據(jù)，其中振幅最高的頻率(基頻)已用紅色加粗字體寫出：頻率/Hz振幅，金屬環(huán)(根部)振幅，金屬環(huán)(中部)振幅，金屬環(huán)(頂部)40022.4611.51472.77240121.41411.39176.46840222.65511.02281.86840320.2789.699891.2840422.76110.868100.1140522.98311.699113.3940624.92111.841127.9640727.1279.9825148.1140827.94911.921173.9840927.73111.078209.3241026.1539.757269.9441129.27111.493383.9141231.34211.253654.2341333.16312.5011790.141435.63612.547*2049.441537.12113.487680.6141638.93113.828391.9741740.23314.13272.9141843.57213.574209.7611 系 09 級(jí) 學(xué)號(hào)PB09210340 姓名 張宇鵬 日期2023-11-2141945.81314.068172.1342048.28114.141146.2642152.47815.335126.642255.40315.516111.542360.15516.86999.87442465.05517.94190.53342572.51519.40782.31442680.70721.2775.63142790.09224.39169.965428102.0728.2364.911429117.7334.52260.986430139.3847.0457.563431170.3569.30554.539432219.64127.0851.545433308.49*428848.699434518.28141.246.7435*1588.770.95444.2574361437.247.34642.435437502.0137.40340.309438303.3130.6838.21439217.5726.85136.961440169.7724.2235.478不難看出，金屬環(huán)的位置在從根部變至頂部的過(guò)程中，音叉的固有頻率在不斷下降，可以看出，音叉振動(dòng)的固有頻率應(yīng)當(dāng)與其振臂相對(duì)于音叉分叉處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量呈正相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)小結(jié)：此次力學(xué)演示試驗(yàn)為定性/半定量試驗(yàn)，故試驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)潔(但要做的試驗(yàn)工程很多)，但這些試驗(yàn)所表達(dá)的物理內(nèi)涵卻是深刻的。就本次所做的聲學(xué)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，它不僅僅是傳統(tǒng)意義上的聲學(xué)試驗(yàn)，更通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理力量讓以而且還讓學(xué)生在試驗(yàn)中學(xué)習(xí)到了現(xiàn)今跟隨時(shí)代的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法(如matlab)，提高了我們的的計(jì)算機(jī)技術(shù)。此外，作為一名對(duì)聲音信號(hào)處理方面很有興趣的計(jì)算機(jī)系的學(xué)生，我向教師推舉幾款軟件：AdobeAudition，這是一款較為專業(yè)的音頻處理軟件,mp3,wma等,可以直觀的看到聲音數(shù)據(jù)的波形等信息并對(duì)其進(jìn)展編輯,在試驗(yàn)室中可以提前在安靜的環(huán)境中錄制好一些音叉的振聲文件,便利學(xué)生們講自己的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其比較,來(lái)區(qū)分噪音的聲紋。另外，利用其混音的功