計量、檢測與生活

基本的感知檢測及其應(yīng)用(一)陳永良教授

聲波的產(chǎn)生與傳播

聲波的產(chǎn)生與傳播機(jī)械波電磁波波機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播.交變電磁場在空間的傳播.兩類波的不同之處機(jī)械波的傳播需有傳播振動的介質(zhì);電磁波的傳播可不需介質(zhì).能量傳播反射折射干涉衍射兩類波的共同特征聲波是機(jī)械波，是由振動產(chǎn)生§1.1聲波的產(chǎn)生蒼蠅飛行時每秒振翅147～200次蝴蝶飛行時每秒振翅5～6次§1.2聲波的頻率蒼蠅和蚊子飛行時的聲音是？---嗡嗡嗡

而蝴蝶飛行的聲音是？？？1、可聽聲：聲波頻率20Hz至20000Hz2、超聲波：頻率高于20000Hz的聲波。3、次聲波：頻率低于20Hz的聲波。每個同學(xué)耳朵能聽的頻響范圍到底多少？檢測一下?。?！請同學(xué)自己做好記錄，寫上名字。聽力檢測界面圖一聽：低端，聲音越來越低沉，音量越來越小。但輸出的信號強度沒變，人聽不見并不意味著聲波不存在，高端，老師聽不見；不是先天不足，如何證實？電視行頻叫聲產(chǎn)生與監(jiān)聽；手機(jī)高頻鈴聲的設(shè)置收實驗記錄結(jié)果，并作不合格評價，抗辯申訴的依據(jù)？找到深層次的原因假定請專家，法拉弟修電機(jī)故事，說到音響系統(tǒng)。再聽：1.0K,1.1K,1.2K….什么感覺，電子琴的味道。找到按鍵與音調(diào)關(guān)系，即可模擬鋼琴或電子琴；展示手機(jī)琴；缺點未表現(xiàn)擊鍵力度扯遠(yuǎn)一點，琴弦斷裂，電子校音器，一個賣點、產(chǎn)品、比爾蓋次——其實生活中類似可動腦的地方很多，血管探測儀/剝毛豆機(jī)//再而三聽：正弦\三角\方波差異，為什么？三而四聽：掃頻四而竭（五聽）：煩了，不聽，那就講唄！A4=440Hz以下是c大調(diào)各按鍵的頻率Dou264單位是赫茲(Hz)Ruai297Mi330Fa352Sou396La440Ti496Dou528任意一個周期函數(shù)都可用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示稱為傅里葉級數(shù)

直流分量

n=1n>1基波分量

n次諧波分量

下圖中三角波的三角傅里葉級數(shù)。A-T0OT0

2T0t周期鋸齒脈沖信號的傅里葉級數(shù)求解其傅里葉級數(shù)表達(dá)式為：小資料聲強級L：單位為貝耳(Bel)

1Bel=10dB單位為分貝(dB)規(guī)定聲強

I0=10-12瓦/米2作為測定聲強的標(biāo)準(zhǔn)

如炮聲聲強1瓦/米2，聲強級120分貝。

壓力——聲壓壓強——聲強§1.3聲波的強度1.4聲音的傳播讓你親身經(jīng)歷了一次聽力的檢測與試驗1從聲音的產(chǎn)生傳播--

可聽與不可聽2從電視機(jī)行頻的尖叫音--

手機(jī)高頻鈴音的設(shè)置3從聽力檢測試驗中音響系統(tǒng)頻響的影響--

法拉第的電機(jī)維修4從模擬電子琴--

調(diào)音校準(zhǔn)器--

血管顯示器--

剝毛豆機(jī)5從存在與意識的哲學(xué)思想--

到抽象數(shù)學(xué)問題的真實體驗6

從人工聲音的合成--

到你發(fā)音頻域高低

聲波的傳播特性

及其在檢測中的應(yīng)用聲波是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播。閃電雷鳴；煙花爆竹；空谷回聲.一、聲波的傳播是有速度的我敲打桌子你馬上聽見了，我講話你也馬上聽見了，但實際上聲音的傳播是有速度的，是有延時的，生活中能說明這樣情況的例子很多，誰能舉幾個例子來證明呢？并且能測出有多快呢？閃電雷聲；煙花爆竹；空谷回聲究竟有多快呢？如何證明?聲波在常見介質(zhì)（氣、液、固）中傳播的速度表空氣（常溫）343大理石3810空氣（25℃）346銅（棒）3750水（常溫）1500鋁（棒）5000海水（25℃）1531鐵（棒）5200§聲波的速度這是一張普通的數(shù)據(jù)表格，類似的以后會經(jīng)常碰到，

關(guān)鍵是你能從中發(fā)掘出一些什么有用的信息來。(米/秒)聲波在不同的介質(zhì)中傳播的速度不同?？諝猓核?液)：固體：說慢不慢=說話馬上聽見，感覺不到滯后；說快不快====1秒鐘只能跑340米。假如從北京到杭州設(shè)想：如果聲速和光速一樣快，世界會怎樣？如果聲速變?yōu)?m/s，世界會怎樣？說慢不慢=說話馬上聽見，感覺不到滯后；說快不快，1秒鐘也只能跑340米。假如從北京到杭州如果是通過鐵軌呢??192.3秒如果是無線電波或光波呢??人類在與大自然長期的共存共生環(huán)境中，演化的是多么和諧與完美，有些問題是一旦發(fā)生改變，世界將會完全亂套！比如說請設(shè)想：如果聲速變?yōu)?m/s，世界又會怎樣？如果聲速和光速一樣快，世界會怎樣？前幾天學(xué)校剛開過運動會，現(xiàn)來看看聲波和聲速在運動會賽場上的應(yīng)用情況聲音通過空氣：杭州北京1．搶劫之類的事件易發(fā)生，因逃跑的速度大于喊叫援救的速度；同時逃犯卻很容易被捉拿歸案，因為警車開到他跟前他還沒聽到警鈴警報聲。2．誰敢再去戶外爬山？3．交通事故一定會頻發(fā)。因為一直按喇叭也再會奏效。4．所有歌星笑星就沒了市場，所有演唱會都會是一場牛頭不對馬嘴的混亂會?？谛尾粚Γ煌嚯x的樂器不對。5．更離譜的是今天夜里看閃電，明天早晨聽到雷聲?？苹门c設(shè)想1．搶劫之類的事件易發(fā)生；2．逃犯卻很容易被捉拿歸案；3．人們不敢輕易參加戶外運動,特別是爬山；4．交通事故一定會頻發(fā)；5．所有歌星笑星就沒了市場；6．今天夜里看閃電，明天早晨聽雷聲；7．……

我將不存在，因為我會被雷電嚇?biāo)?，不知你們會怎樣？假設(shè)1:聲速＝5米/秒假設(shè)2:如果聲速和光速一樣快，世界會怎樣？今天學(xué)校在開運動會，現(xiàn)來看看聲波和聲速在運動會賽場上的應(yīng)用情況終點計時員：既不聽槍聲，也不管動作，唯看發(fā)令槍煙火。裝備：秒表起點發(fā)令員：發(fā)令槍，產(chǎn)生聲音和白煙+黑色背景幕，凸現(xiàn)白煙運動員：聽槍聲起跑雨霧天氣改期延期運動員：聽槍聲起跑，如何避免輸在起跑線？你是否發(fā)現(xiàn)了什么問題？標(biāo)準(zhǔn)跑道間距為1.22米，共有8道間距：△L=1.25×8=10（米）∴時差：△T=10／340≈0.03秒你選第幾跑道?依據(jù)是什么？0.03秒，算大算小?

問題一：

1968.10.14海因斯9.951983.7.3史密斯9.931988.9.24劉易斯9.921991.6.14布雷爾9.901991.8.25劉易斯9.861994.7.6布雷爾9.851996.7.27貝利9.841999.6.16格林9.792005.6.14鮑威爾9.772007.9.9鮑威爾9.742008.6.1博爾特9.722008.8.16博爾特9.692009.8.17博爾特9.58日期選手成績（秒）男子百米世界紀(jì)錄史可領(lǐng)先0.3米以上

可破世界紀(jì)錄3次問題一：

如何在現(xiàn)有賽場條件下盡量避免和減小這一誤差呢?問題二：

正規(guī)的大型比賽中如何徹底消除這一誤差呢?

運動會上每個不起眼的細(xì)節(jié)：跑道上運動員的道次選擇；起點發(fā)令員的站位、裝備、甚至動作；終點計時員的看與聽；舉辦的氣象條件；正規(guī)大賽的技術(shù)裝備。每一環(huán)節(jié)都將關(guān)系到最后比賽的結(jié)果，你能否利用規(guī)則，揚長避短，獲得先機(jī)與優(yōu)勢，充實掌握知識是必要的，但更需要的是智慧——靈活利用知識的智慧。聲音傳播需要時間也許是盡人皆知的，但在如何正確選擇處理發(fā)令員站位?如何選擇最優(yōu)起跑線道次?如何正確使用計量計時方法?如何排除干擾減小誤差?等等，你作為運動員、裁判員、技術(shù)官員、領(lǐng)隊甚至拉拉隊員，你都能注意到了嗎？并在必要時作為提出改進(jìn)、申訴與抗辯依據(jù)嗎？聲波在常見介質(zhì)（氣、液、固）中傳播的速度表空氣（常溫）343大理石3810空氣（25℃）346銅（棒）3750水（常溫）1500鋁（棒）5000海水（25℃）1531鐵（棒）5200§聲波的速度這是一張普通的數(shù)據(jù)表格，類似的以后會經(jīng)常碰到，

關(guān)鍵是你能從中發(fā)掘出一些什么有用的信息來。(米/秒)聲波在不同的介質(zhì)中傳播的速度不同。即使同一種介質(zhì)，溫度不同，聲速也不同不同水溫和聲速的對應(yīng)關(guān)系厄爾尼諾（El

Nino）現(xiàn)象：海水溫度較常年異常偏高，導(dǎo)致全球性氣候異常，干旱與洪澇嚴(yán)重失調(diào)。拉尼娜（LaNina）現(xiàn)象：厄爾尼諾的反現(xiàn)象，海水溫度較常年異常偏低?，F(xiàn)在全人類都高度關(guān)注環(huán)境與環(huán)保的問題，同學(xué)誰知道海水中的厄爾尼諾（El

Nino）現(xiàn)象和拉尼娜（LaNina），

海洋溫度升高或降低如何有效測得呢？1水溫變化的測量精度要求很高2測量布點范圍要廣3各測點要在同一時間段進(jìn)行測量4可長年有效運行由于海水的熱容量很大，水溫的微小變化就會引起環(huán)境的大變化，所以對水溫變化的測量精度要求很高。其次，由于海洋范圍很廣，不同方位和不同深度的溫差和起伏都得很大，某點的局部溫度不足以代表整個海洋，假如用單點溫度計來測，測得準(zhǔn)不準(zhǔn)暫且不說，首先有3個要求要解決：1在不同方位、不同距離、不同深度上要布設(shè)大量的測點，用以綜合平均與計算2各測點要求在同一時間段進(jìn)行測量。

3系統(tǒng)可長年有效運行。工作量和難度都很大。大家是否可以考慮利用聲波速度與溫度的關(guān)系來解決這一難題呢？科學(xué)家們巧妙地利用了聲波的兩個特性，1在海水中衰減很小傳的很遠(yuǎn)（如聲納）和2傳播速度受水溫影響，在南印度洋的赫德島南印度洋赫德島位置南極洲非洲澳大利亞亞洲由于聲波經(jīng)過的是整個海洋環(huán)境，其結(jié)果等效為傳播途徑上無數(shù)多個測量點的綜合效果。利用聲速測量海水溫度變化研究人員在南印度洋的赫德島，設(shè)置一個功率為5000瓦的聲源；然后在亞洲、大洋洲、南極洲和美洲東西部海岸設(shè)點接收聲波，通過測量海洋中的聲速到達(dá)時間的變化，就能很容易地準(zhǔn)確計算出海洋的平均溫度的變化。由于聲波經(jīng)過的是整個海洋環(huán)境，其結(jié)果等效為傳播途徑上無數(shù)多個測量點的綜合效果。在南印度洋設(shè)的赫德發(fā)射站的聲波可在18000公里外收到，若海水聲速為1500米/秒，需耗時3時20分。若海水溫度變化引起聲速的變化為1500+1米/秒，則時間差可達(dá)8秒。用這個系統(tǒng)可測每年水溫變化準(zhǔn)到0.01℃

。具體檢測的數(shù)據(jù)情況多普勒效應(yīng)及在檢測中的應(yīng)用波源相對介質(zhì)的運動速度觀察者相對介質(zhì)的運動速度

當(dāng)觀察者與波源之間有相對運動時，觀察者所測得的頻率不同于波源頻率的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。具體定量關(guān)系:一、觀察者靜止,波源運動，此時，二者靠近：取正值，遠(yuǎn)離取負(fù)值三、觀察者和波源都運動，此時，二者靠近：取正值，遠(yuǎn)離取負(fù)值二、觀察者運動,波源靜止，此時，二者靠近：取正值，遠(yuǎn)離取負(fù)值fuufR'v+=應(yīng)用1：一人測得火車來時鳴笛的頻率為離去，已知聲速為求車速解：相當(dāng)于68.4千米／小時

應(yīng)用2：

利用多普勒效應(yīng)監(jiān)測車速，固定波源發(fā)出頻率為

的超聲波，當(dāng)汽車向波源行駛時，與波源安裝在一起的接收器接收到從汽車反射回來的波的頻率為

已知空氣中的聲速為，求車速.如果設(shè)定限速為120公里/小時,反射波的頻率應(yīng)為??

解1）車為接收器2）車為波源車速如果限速為120公里/小時，則頻率應(yīng)為122.5kHz應(yīng)用3:

超聲防盜報警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號的有效區(qū)域，相對速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移

f。

回波測距的原理圖障礙物發(fā)射接收測距儀聲波回波測距測距的基本公式為：v——聲波的速度

t——為聲波往返所需時間由測距公式可知，如何精確測量出時間t的值是測距的關(guān)鍵。由于測量時間t的方法不同，產(chǎn)生了兩種測距方法：脈沖測距和相位測距。聲波測距在空氣中——應(yīng)用1：空谷回音——估計對面障礙物或高山的距離應(yīng)用2：超聲波汽車倒車防撞報警器應(yīng)用3：超聲波測距儀應(yīng)用4：應(yīng)