力學(xué)演示實驗-音叉振動合成拍現(xiàn)象及頻譜分析

實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬試驗?zāi)康?觀看音叉的振動聲放大、共振聲放大、拍振動聲放大現(xiàn)象。試驗原理:音叉的共振現(xiàn)象稱為共鳴。假設(shè)兩個音叉的頻率一樣，敲擊一個音叉發(fā)聲所激發(fā)的空氣振動可引發(fā)另一個音叉振動發(fā)聲；假設(shè)兩音叉的頻率不同，則不會有共鳴。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，做兩個金過快。設(shè)受迫振動系統(tǒng)的角頻率為 ，周期性籌劃力的角頻率為，當(dāng)受迫振動到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的振幅為：實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬上式對 求導(dǎo)，并令，可得： 。由兩個振動方向一樣，頻率略有差異的振動合成時，就會形成拍。實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬〔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，稍待一會兒隨即握住此音叉使它停振，在安靜的室內(nèi)可清楚地聽到音叉的聲響。這是由于音叉1雖已停振，但在停振以前，通過空222即可證明。設(shè)兩個分振動分別為：合成后的振動方程為： ；這個合成的振動中，振幅為：可見，振幅是周期性變化的，其頻率為： ，這個頻率稱為拍頻。動的頻率不同，可作振動方向一樣而頻率不同的兩個振動的合成演示。裝置：頻率一樣的音叉2動的頻率不同，可作振動方向一樣而頻率不同的兩個振動的合成演示。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，聽其振動聲。實驗報告評分：實驗報告評分：實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名實驗報告評分：1109PB092103402023-11-21系級姓名張宇鵬1111系09級PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21〔3〕〔3〕用計算機的聲卡采集音叉振動信號,爭論了兩個音叉振動合成拍現(xiàn)象【演示步驟】本軟件界面如圖所 示，軟件可通過計算機外接麥克風(fēng) 對聲音數(shù)據(jù)采樣、顯示，并進(jìn)展頻— 幅分析:使用前的說明:1、在使用軟件前,請確保 麥克風(fēng)等硬件已與計算機正確相連;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)前波形各個重量中振幅最大的那 個重量的頻率;3、在【時間設(shè)置】框, 【刷時間表示的是當(dāng)前采樣顯 示的時間寬度(即在屏幕上一次顯示 多長時間的波形數(shù)據(jù)),該時間寬度 不能小于0.01秒,【采樣時間】表 示的是假設(shè)要保存波形數(shù)據(jù),那么保 存多長時間的數(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 四個選項,分別是11025點/S,22050點/秒,44100點/S,88200點/S(請留意,并不是全部計算機都能到達(dá)這四種采樣頻率的,必要依據(jù)具體的計算機來進(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:點擊【翻開設(shè)備】按鈕,假設(shè)上方的指示燈亮了的話,說明硬件已被正常翻開,假設(shè)不亮,請檢查硬件連接是否正常;〔時該按鈕會變成【停頓采集】,您假設(shè)想取消本次采集,點擊它就行了；時間,另一行是聲波振幅;當(dāng)關(guān)閉設(shè)備后,點擊【清屏】按鈕,可以去除當(dāng)前屏幕上的全部曲線;點擊【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,自動生成完成后,您可以自己選擇保存路徑;Excel來觀看它;拓展試驗：音叉振聲頻譜分析試驗數(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圖像，在圖中3.00s時，試驗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間內(nèi)聲音的震驚波形的振幅要大于沒有共振音叉時的振幅，這個試驗結(jié)果明確的驗證了共振聲放大現(xiàn)象。二、音叉振聲的頻譜分析試驗中利用試驗室給出的Matlab程序針對440Hz的音叉的單獨振聲和共振振聲做頻譜分析，為減小試驗中噪聲的干擾，故將試驗儀器轉(zhuǎn)移至較為安靜的試驗樓走廊中進(jìn)展。下為試驗圖像。11系09級11系09級PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21440Hz音叉二號440Hz音叉共振512Hz音叉共振實驗報告評分：實驗報告評分：實驗報告評分：11系09級PB09210340姓名張宇鵬實驗報告評分：11系09級PB09210340姓名張宇鵬2023-11-2111 系 09 級 學(xué)號PB09210340 姓名 張宇鵬 日期2023-11-21440Hz(512Hz)440Hz(512Hz)。由于試驗員本身用來處理數(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數(shù)據(jù)再做傅立葉快速變化去求其頻譜分解了(試驗中所用的源程序本身就是對數(shù)據(jù)進(jìn)展擬合后求其傅里葉變換的程序)……備注:試驗中的matlablu4.m:AI=analoginput(”winsound”);%創(chuàng)立聲卡設(shè)備對象chan=addchannel(AI,1); %添加聲卡通道duration=1; %設(shè)置采樣時間set(AI,”SampleRate”,8000); %設(shè)置采樣頻率ActualRate=get(AI,”SampleRate”);%獵取設(shè)備的實際采樣頻率%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); %啟動并觸發(fā)設(shè)備trigger(AI);data=getdata(AI); %獵取數(shù)據(jù)%調(diào)用daqdocfft對采樣數(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。實驗報告評分：實驗報告評分：實驗報告評分：11系09級PB09210340姓名張宇鵬實驗報告評分：11系09級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PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21四、在音叉上附加物件對音叉振聲基頻的影響440Hz音叉+金屬環(huán)(頂部)振聲拍的測量440Hz音叉+金屬環(huán)(中部)振聲拍的測量實驗報告評分：實驗報告評分：實驗報告評分：11系09級PB09210340姓名張宇鵬實驗報告評分：11系09級PB09210340姓名張宇鵬2023-11-21440Hz音叉+金屬環(huán)(根部)振聲拍的測量下表為試驗中的測量數(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 學(xué)號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程中，音叉的固有頻率在不斷下降，可以看出，音叉振動的固有頻率應(yīng)當(dāng)與其振臂相對于音叉分叉處的轉(zhuǎn)動慣量呈正相關(guān)關(guān)系。試驗小結(jié)：此次力學(xué)演示試驗為定性/半定量試驗，故試驗操作較為簡潔(但要做的試驗工程很多)，但這些試驗所表達(dá)的物理內(nèi)涵卻是深刻的。就本次所做的聲學(xué)試驗來說，它不僅僅是傳統(tǒng)意義上的聲學(xué)試驗，更通過計算機強大的數(shù)據(jù)處理力量讓以而且還讓學(xué)生在試驗中學(xué)習(xí)到了現(xiàn)今跟隨時代的試驗數(shù)據(jù)處理方法(如matlab)，提高了我們的的計算機技術(shù)。此外，作為一名對聲音信號處理方面很有興趣的計算機系的學(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)的波形等信息并對其進(jìn)展編輯,在試驗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)生們講自己的試驗數(shù)據(jù)與其比較,來區(qū)分噪音的聲紋。另外，利用其混音的功