最響亮的哨子

目錄：1背景：哨子在生活和生產(chǎn)中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，哨子是能夠發(fā)出聲音的裝置，通過(guò)將空氣快速壓入一個(gè)狹小的空間裝置內(nèi)造成氣流的紊亂，從而能夠發(fā)出強(qiáng)烈的聲響。交警通過(guò)哨子來(lái)引導(dǎo)車流通過(guò)，軍人通過(guò)緊急的哨響來(lái)達(dá)到緊急集合的目的，體育賽事中，裁判通過(guò)哨聲來(lái)判罰和指導(dǎo)比賽的進(jìn)行，當(dāng)人們處在危險(xiǎn)當(dāng)中時(shí)能夠通過(guò)強(qiáng)烈的哨響來(lái)發(fā)出求救的信號(hào)。所以具有高音質(zhì)的哨子往往在生產(chǎn)和生活中能夠發(fā)揮巨大的作用。所以能否設(shè)計(jì)出一個(gè)足夠響亮的哨子是能否提高生活品質(zhì)和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵？2假設(shè)：1哨子的聲響是由空氣振動(dòng)引起的氣流紊亂造成的，不同強(qiáng)度的氣流會(huì)影響哨子的聲音強(qiáng)度。2哨子的聲響與空氣的濕度和流速有關(guān)，空氣的濕度會(huì)對(duì)空氣的音色、音質(zhì)造成不同程度的影響，不同流速的空氣會(huì)發(fā)出不同的聲響。3哨子的聲響與氣體所受摩擦力有關(guān)。哨體內(nèi)的摩擦力會(huì)會(huì)造成聲波能量的損失，會(huì)嚴(yán)重削弱聲響的強(qiáng)度。4哨子的聲響受流場(chǎng)擾動(dòng)影響，不同的氣流會(huì)走不同的路線，這樣就形成了不同分布的流場(chǎng)，會(huì)造成壓強(qiáng)發(fā)生差異，從而會(huì)影響聲音的強(qiáng)度。5哨子的聲響與哨子的材質(zhì)有關(guān)，不同的材質(zhì)具有不同的聲色，不同的聲色也會(huì)影響聲音的強(qiáng)度變化，所以，材質(zhì)也會(huì)造成聲音強(qiáng)度的變化。6哨子的聲響與聲波的反射率有關(guān)，聲波的反射率大會(huì)使得傳播過(guò)程中能量損失減少，從而會(huì)增大聲音的強(qiáng)度。7哨子的聲響與哨體的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)，不同結(jié)構(gòu)的哨體，其內(nèi)部的空氣流動(dòng)形式會(huì)不同也會(huì)造成不同的發(fā)生強(qiáng)度，哨口的尺寸大小會(huì)影響氣流的反轉(zhuǎn)形式，會(huì)對(duì)聲音的頻率和振動(dòng)造成明顯的影響，所以哨體的結(jié)構(gòu)和尺寸會(huì)影響哨子的聲音強(qiáng)度。3問(wèn)題分析問(wèn)題1如何設(shè)計(jì)出一個(gè)高強(qiáng)度、高音質(zhì)的哨子首先要求我們應(yīng)該努力發(fā)現(xiàn)影響哨子聲響的因素，通過(guò)對(duì)哨子聲音強(qiáng)度實(shí)際情況的分析，我們發(fā)現(xiàn)了許多直接的聯(lián)系：哨子發(fā)出的聲響與氣體的流速，哨子的結(jié)構(gòu)，哨子的材質(zhì)，聲音的反射率，以及氣流紊亂程度等因素有關(guān)。我們通過(guò)采用模型法和控制變量法來(lái)進(jìn)行研究，探索各個(gè)因素對(duì)哨子聲音強(qiáng)度的影響程度。通過(guò)控制氣體不同的流速進(jìn)入哨體，我們通過(guò)專業(yè)的聲波接受儀接受哨子發(fā)出的聲波的振動(dòng)形式，得到了不同氣流速度下的哨體聲波的振動(dòng)圖像如圖：通過(guò)對(duì)上圖的分析，我們可以知道聲波的振幅發(fā)生了明顯的變化，氣流速度大的氣體通過(guò)哨子后發(fā)出的聲波其振幅較大，氣體流速小的氣體，通過(guò)哨子后，聲波的振幅較小。所以，我們可以推知不同的氣流速度會(huì)對(duì)聲音響度造成顯著的影響。問(wèn)題2通過(guò)對(duì)問(wèn)題1的分析，我們發(fā)現(xiàn)許多因素都能夠影響哨子的聲音強(qiáng)度。哨子的發(fā)生機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，提高哨子的聲音強(qiáng)度也需要一些切實(shí)可行的方法，無(wú)論采用什么樣的方法解決這個(gè)問(wèn)題，哨子的聲音強(qiáng)度都會(huì)受內(nèi)外因素的影響。我們通過(guò)進(jìn)一步的建立模型來(lái)模擬哨子的聲音強(qiáng)度與各因素之間的關(guān)系，我們將哨子的氣流速度耦合到能量方程和質(zhì)量方程中，通過(guò)對(duì)不同氣流速度造成能量的差異建立起兩者相關(guān)的方程，建立起兩者之間定量的關(guān)系。通過(guò)全方面的綜合分析，我們建立了一個(gè)近似的模型來(lái)模擬發(fā)現(xiàn)這些因素對(duì)哨子聲音強(qiáng)度的影響大小。然后通過(guò)我們對(duì)這個(gè)模型的模擬效果，更加有針對(duì)性的去提高哨子發(fā)聲強(qiáng)度。-200 0.1 0.2 0.3 0.4 Q.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1asraasraqCL從上面的圖像我們可以知道不同的氣流速度會(huì)造成聲音的能量發(fā)生明顯的變化，氣流速度大的氣體，所傳遞的能量也較大，氣流速度小的氣體，其傳遞的能量也小。而能量的大小又是影響響度的直接因素，能量大的氣體能夠發(fā)出的聲音響度也大，能量小的氣體能夠發(fā)出的聲音響度也小。所以，研究氣體流速對(duì)聲音響度的影響有著十分重要的意義。4變量聲明模型參數(shù)v 當(dāng)?shù)仄骄俣萵 黏性和湍流引起的總摩擦力q 熱流強(qiáng)度

f 單位質(zhì)量力P 當(dāng)?shù)氐膲簭?qiáng)P 當(dāng)?shù)乜諝饷芏萒 當(dāng)?shù)氐臏囟萔 給定的時(shí)間t內(nèi)所研究的流體體積S 體積v的曲面vn 法向速度F1 橫截面積A的側(cè)面積F2 橫截面積A的側(cè)面積R 比內(nèi)能￡ 單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量流體放出的熱量5解決方案5.1簡(jiǎn)單分析1眾所周知，影響哨子聲響的原因有很多，哨子發(fā)出的聲響與氣體的流速，哨子的結(jié)構(gòu)，哨子的材質(zhì)，聲音的反射率以及氣流紊亂的程度等因素都有密切的關(guān)系。哨子的發(fā)生波形如圖，我們可以得知哨子的波形是一些列連續(xù)的正弦波，所以如何增大波形的波峰或波谷成了增大哨子聲響的關(guān)鍵。-65015Q200LeakageFactor:97.6%100SamplesTimedomain642D-2-4^■onMCLUJVMainlobewidth0.10742Q0.2 0.4 0.6O.SNDrmalizedFrequency(xxrad/sample)-65015Q200LeakageFactor:97.6%100SamplesTimedomain642D-2-4^■onMCLUJVMainlobewidth0.10742Q0.2 0.4 0.6O.SNDrmalizedFrequency(xxrad/sample)Frequencydomain24Q-2O后巳招n七UBmw-40Relativeskfelobeatt&nuation:OdB2通過(guò)對(duì)1的分析，我們知道氣流速度是會(huì)影響哨子的聲音強(qiáng)度的，通過(guò)哨子的不同流速的氣流會(huì)直接引起進(jìn)入哨子的能量不同，不同的能量又會(huì)造成發(fā)出的聲音強(qiáng)度有明顯的變化，所以，通過(guò)對(duì)模擬效果的分析可以推導(dǎo)出不同的氣流速度與聲音強(qiáng)度的關(guān)系式。下圖是聲波的頻率與聲音分貝之間的立體模擬圖，通過(guò)下圖我們可以分析出，聲音的頻率越大其聲波的分貝也越大，聲音的頻率越小其聲波的分貝也越小，所以，合適的頻率能夠增大聲音的頻率，從而增大聲音的響度。i—WindowViewerTimedomain6S10 12 14 16ISSamplesLeakageFactor:8.56%50522150Frequencydomain0 0.2 0.4 0.6 0.8NormalizedFrequency(xxracVsample)Mainlobewidth0?1l093S40302OTimedomain6S10 12 14 16ISSamplesLeakageFactor:8.56%50522150Frequencydomain0 0.2 0.4 0.6 0.8NormalizedFrequency(xxracVsample)Mainlobewidth0?1l093S40302O￡,巳0Relativesidelobeattenuation:-14.5dB3通過(guò)控制變量的方法，控制氣流速度，研究哨子縫隙尺寸的大小對(duì)哨子聲音強(qiáng)度的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，保證相同的氣流速度，采用同一材質(zhì)的哨子，控制哨子有不同尺寸的排氣口，通過(guò)分貝測(cè)試儀，測(cè)定哨子不同縫隙情況下的聲音強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)合適的縫隙大小能夠增強(qiáng)哨子的聲音強(qiáng)度。5.2深入分析1通過(guò)對(duì)問(wèn)題及模型的簡(jiǎn)單分析，我們組已經(jīng)定性的得出了各要素與聲音強(qiáng)度的影響關(guān)系，下面我們細(xì)致的推導(dǎo)演算氣體流速對(duì)聲音強(qiáng)度的影響公式。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，j-^tdv+jpvds=0根據(jù)質(zhì)量守恒原理，v sjpvds=-jPvdF+jPvdF+jpvds，于是n Fi* F2X AnvdFvdF+jpvds=0，j^l^^dv+jpvxdF-jPv^dF)]=￡JP、dFPv^dF)]=￡JP、dF，lim[—(jPvdF一jdx—0dxF2且dv=dFdx，推導(dǎo)出，j~i~dF+jPvds+IXjPvdF=0—jPdF+—jPvdF=0Itf lxfx哨子的發(fā)生原理是由氣流紊亂引起的，而氣流紊亂的方程分析與氣體一元流動(dòng)問(wèn)題相類似，所以我們借助氣體一元流動(dòng)的連續(xù)方程來(lái)分析哨子發(fā)生過(guò)程中的能量變化與守恒，從而分析演算出能量變化對(duì)聲音強(qiáng)度的影響。

0Z50201000 40)0 16000125 500 2GG08OCO頻率(H?004ioo86SF哀w<31.52依據(jù)能量守恒邕p(0Z50201000 40)0 16000125 500 2GG08OCO頻率(H?004ioo86SF哀w<31.52依據(jù)能量守恒邕p(日+胃)"+』p(日+三)匕*

vct2 $ 2_Jp("，炒+fTJds+jp(f^)dv+Jqds+jpst/vS S V SV上式改成J?[p(四vctV2 fV. f V2+—)]dv+[Jp(v+—)vxdF—Jp(N+—)vxdF+L p Z 歸， ZI V2'P(四+泰匕妁A 2等式兩邊除以公，取故-0的極限得limJx—>0V2+—)]dv+J2f2V2 fP(!1+—X-^-J2 ' JV2PlP+j)匕亦+J2 AV2P(P+5)匕，s}若哨子側(cè)面是自由面，則摩擦力為零，若哨子側(cè)面是剛性的，則其上流速為零。根據(jù)上述假設(shè)和模擬，我們建立起了法向受力及速度變化與聲音強(qiáng)度的之間的守恒方程。綜上所訴：ffy)ds=0

假設(shè)質(zhì)量力有勢(shì)f=V中JpQfv)dF=fP(W)dv=J[V(P^V)-評(píng)(pV)]dv由質(zhì)量守恒連續(xù)方程告+V（pV）=°,故fP(fV)dv=fV(p^V)dv+f^^PdvV V V6t通過(guò)討論氣流在哨子里傳播的音速以及吹入哨子的氣流能量，進(jìn)而得出哨子內(nèi)部參數(shù)對(duì)能量損耗的副作用，從而分析出降低能量損失的最優(yōu)方案.根據(jù)一元?dú)怏w連續(xù)性方程、動(dòng)量方程得出影響音響的各參數(shù)之間的關(guān)系。得出如下結(jié)論:（1） 音速在一定程度上的影響流體壓縮性的大小；（2） 哨子材料（傳播介質(zhì)）對(duì)能量有直接的影響；（3） 流動(dòng)氣體的音速是狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)；（4） 在傳播介質(zhì)保持一致的情況下，音速隨溫度升高而增大。6模態(tài)驗(yàn)證音的強(qiáng)度是客觀的，決定于單位時(shí)間內(nèi)作用于單位面積上能量的大小，可以用物理儀器（如聲級(jí)計(jì)）來(lái)測(cè)量。一定強(qiáng)度的聲波作用于人聽(tīng)覺(jué)器官所引起的一種辨別聲音強(qiáng)弱的感覺(jué)稱為響度。響度是主觀的，它不僅決定于聲音的物理強(qiáng)度，而且與聲音的頻率也有一定關(guān)系。在強(qiáng)度相等時(shí)，1000?4000Hz的聲音人耳聽(tīng)起來(lái)最響。在此范圍之外，隨著頻率的降低或升高，響度愈來(lái)愈弱，當(dāng)降至20Hz以下或升至20kHz以上時(shí)，則很難聽(tīng)到。大體上，聲音增加10dB（聲壓級(jí)），其響度約增加1倍。由此可見(jiàn)，人耳主觀響度的感覺(jué)并不與聲音所含的能量呈線性關(guān)系，聲音能量增加近4倍，主觀感覺(jué)響度增加1倍。987655558901211222分貝987655558901211222分貝W日）7模型的應(yīng)用及結(jié)果分析通過(guò)對(duì)模型的分析以及對(duì)原理的演算和解析，我們得出了能夠調(diào)高哨子聲音響度各種措施，根據(jù)不同環(huán)境或場(chǎng)所的需要，對(duì)哨子的聲音響度會(huì)有不同的要求，所以，我們根據(jù)得出的哨子的聲音響度與各要素之間的關(guān)系，指導(dǎo)我們根據(jù)自己的需要選擇在自己所要應(yīng)用的場(chǎng)所選擇響度最高哨子。8優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)1根據(jù)我們的定性和定量的分析，以及通過(guò)公式的演算和推導(dǎo)，我們清楚的分析出了各個(gè)要素對(duì)聲音響度的影響，這樣更加清晰、準(zhǔn)確的驗(yàn)證和修正了我們的假設(shè)，也幫助我們得出了正確的關(guān)系式。通過(guò)對(duì)其他的直接的影響因素的分析，我們繪出了各要素的變化對(duì)聲音響度影響的變化圖像。2雖然我們?cè)诜治龈饕氐淖兓瘜?duì)聲音響度的影響時(shí)已經(jīng)十分全面，但仍有一些因素是我們沒(méi)有考慮到的，也有一些要素我們做了近似處理，所以勢(shì)必會(huì)對(duì)結(jié)果造成一些誤差，盡管這些誤差是在允許范圍內(nèi)的，但是畢竟也是與真實(shí)的情況有一些差別，所以，我們的模型還存在許多可以改進(jìn)和提升的地方。9模型的改進(jìn)我們探索各因素對(duì)聲音響度的影響時(shí)，沒(méi)有將空氣對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)考慮進(jìn)去，因?yàn)檫@種擾動(dòng)是隨機(jī)的、不定項(xiàng)的，根據(jù)我們已有的知識(shí)無(wú)法建立動(dòng)場(chǎng)與發(fā)生響度之間的方程和受力分析，所以，在接下來(lái)的研究與探索中，我們需要通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)和假設(shè)，將流場(chǎng)的變化耦合到聲音響度與能量變化的方程中。參考資料：附錄：基于上面的模型分析，我們綜合考慮了氣體流速、能量損失、哨口尺寸的最優(yōu)組合，也參考了以前的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了聲音最響的哨子，哨子通體呈蝸牛形狀，長(zhǎng)8cm，寬6cm，厚3cm，外形有著柔和的曲線，基于到人機(jī)工程學(xué)，我們充分考慮了手握時(shí)的舒適感，外觀曲線設(shè)計(jì)柔和。哨口采用了圓形設(shè)計(jì)，有利于使用時(shí)接觸更加緊密，減少了吹出氣體的泄露，哨口與哨體有1.8cm距離，這一段距離有利于穩(wěn)定氣流，減少流場(chǎng)的擾動(dòng)，這樣十分有助于出入的氣體更加穩(wěn)定的從哨口吹出，從而使得發(fā)出的聲音連續(xù)、集中、響亮。哨體內(nèi)的空間也很充足，這樣可以使更多的氣流進(jìn)入這樣當(dāng)氣體從哨口排出時(shí)就會(huì)有足夠的響度。同時(shí)，充足的空間也是穩(wěn)定氣流所必須的，從哨口進(jìn)入的氣體在這充足的空間里積聚，然后在這空間里穩(wěn)定流場(chǎng)，最大限度的減少了流場(chǎng)的擾動(dòng)，有助于發(fā)出更加雄渾的聲音，足夠的空間積聚了充足的氣體，這樣就會(huì)使進(jìn)入的氣體減少能量損失，使進(jìn)入的氣體的能量最大程度的用于哨子發(fā)聲，所以這也是具有最強(qiáng)聲響哨子所必須的。然后是出氣口，經(jīng)過(guò)模型2的模擬和驗(yàn)證，我們得出了當(dāng)出氣口設(shè)計(jì)寬度為6mm時(shí)，從哨口進(jìn)入氣流可以穩(wěn)定的被哨體切割，哨子振幅最大，聲音最響。全面考慮氣體流速、能量損失和哨口尺寸后，我們?cè)O(shè)計(jì)出了最響亮的哨子。問(wèn)題1：哨子的發(fā)生機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，提高哨子的聲音強(qiáng)度也需要一些切實(shí)可行的方法，無(wú)論采用什么樣的方法解決這個(gè)問(wèn)題，哨子的聲音強(qiáng)度都會(huì)受內(nèi)外因素的影響。我們通過(guò)進(jìn)一步的建立模型來(lái)模擬哨子的聲音強(qiáng)度與各因素之間的關(guān)系，我們將哨子的氣流速度耦合到能量方程和質(zhì)量方程中，通過(guò)對(duì)不同氣流速度造成能量的差異建立起兩者相關(guān)的方程，建立起兩者之間定量的關(guān)系。通過(guò)全方面的綜合分析，我們建立了一個(gè)近似的模型來(lái)模擬發(fā)現(xiàn)這些因素對(duì)哨子聲音強(qiáng)度的影響大小。然后通過(guò)我們對(duì)這個(gè)模型的模擬效果，更加有針對(duì)性的去提高哨子發(fā)聲強(qiáng)度。20■2° i i i i i i i i i 0 0.1 0.2 0-3 0-4 0.5 0.60J0.8 0.9 20■2° i i i i i i i i i 0 0.1 0.2 0-3 0-4 0.5 0.60J0.8 0.9 1NormalizedFrequency(\times\pirad/sample)!-20000 0.1 0.2 0.3 0.4 D.5 0.6 0.7 0.8。一9 1NormalizedFrequency(xzrad/sample)從上面的圖像我們可以知道不同的氣流速