最響亮的哨子

1、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，通過將空氣快速壓入一個狹小的空間裝置內(nèi)造成氣流的紊亂，從而能夠發(fā)出強(qiáng)烈的聲響。交警通過哨子來引導(dǎo)車流通過， 軍人通過緊急的哨響來達(dá)到緊急集合的目的，體育賽事中，裁判通過哨聲來判罰和指導(dǎo)比賽的進(jìn)行，當(dāng)人們處在危險當(dāng)中時能夠通過強(qiáng)烈的哨響來發(fā)出求救的信 號。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引起的氣流紊亂造成的，不同強(qiáng)度的氣流會影響哨子的聲音強(qiáng)度。2哨子的聲響與空氣的濕度和流速有關(guān)，空氣的濕度會對空

2、氣的音色、音質(zhì)造成不同程度的影響，不同流速的空氣會發(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)的摩擦力會會造成聲波能量的損失，會嚴(yán)重削弱聲響的強(qiáng)度。4哨子的聲響受流場擾動影響， 不同的氣流會走不同的路線， 這樣就形成了不同分布的流 場，會造成壓強(qiáng)發(fā)生差異，從而會影響聲音的強(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， 不同的聲色也會影響聲音的強(qiáng)度變化，所以，材質(zhì)也會造成聲音強(qiáng)度的變化。6哨子的聲響與聲波的反射率有關(guān)，聲波的反射率大會使得傳播過程中能量損失減少，從而會增大聲音的強(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)部的空氣流動形式會不同 也會

3、造成不同的發(fā)生強(qiáng)度， 哨口的尺寸大小會影響氣流的反轉(zhuǎn)形式， 會對聲音的頻率和振動 造成明顯的影響，所以哨體的結(jié)構(gòu)和尺寸會影響哨子的聲音強(qiáng)度。3問題分析問題1如何設(shè)計(jì)出一個高強(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，通過對哨子聲音強(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)。 我們通過采用模型法和控制變量法來進(jìn)行研究，探索各個因素對哨子聲音強(qiáng)度的影響程度。通過控制氣體不同的流速進(jìn)入哨體，我們通過專業(yè)的聲波接受儀接受哨子發(fā)出的聲波的振動形式，得到了不同氣流速度下的哨體聲波的振動圖像如圖

4、：J 三ESI5.33&63 11E62卩卿F(0 J luriUh « I；ni'i - II i-:通過對上圖的分析，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哨子后發(fā)出的聲波其振幅較大，氣體流速小的氣體，通過哨子后，聲波的振幅較小。所以,我們可以推知不同的氣流速度會對聲音響度造成顯著的影響。問題2通過對問題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)理是一個復(fù)雜的過程，提高哨子的聲音強(qiáng)度也需要一些切實(shí)可行的方法，無論采用什么樣的方法解決這個問題， 哨子的聲音強(qiáng)度都會受內(nèi)外因素的影響。我們通過進(jìn)一步的建立模型來模擬哨子的聲音強(qiáng)

5、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，通過對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。通過全方面的綜合分析， 我們建立了一個近似的模型來模擬發(fā)現(xiàn)這些因素對哨子 聲音強(qiáng)度的影響大小。 然后通過我們對這個模型的模擬效果，更加有針對性的去提高哨子發(fā)聲強(qiáng)度。Normalized Frequency (-.iimesKpi rad/sampie)|從上面的圖像我們可以知道不同的氣流速度會造成聲音的能量發(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

6、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)當(dāng)?shù)乜諝饷芏萒當(dāng)?shù)氐臏囟萔給定的時間t內(nèi)所研究的流體體積S體積v的曲面Vn法向速度F 1橫截面積A的側(cè)面積F 2橫截面積A的側(cè)面積比內(nèi)能單位時間內(nèi)單位質(zhì)量流體放出的熱量5解決方案5.1簡單分析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

7、，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。Tir do ma in-0yPHMe-交1lf»Ssrr¥l«cFraqueric de rm in-401"J""IQ?CMQ6制 DEi*d Frequency (巧 rad/Mnp|»)-丘popnl!呂 EWLeakage Factcr: 97.6 %ReLrthra sidelobe attenuaten. 0 dBMahlOi>e wdtb (-M3V0J107422通過對1的分析，我們知道氣流速度是會影響哨子的聲音強(qiáng)度的，通過哨子的不同流速的氣流會直

8、接引起進(jìn)入哨子的能量不同，不同的能量又會造成發(fā)出的聲音強(qiáng)度有明顯的變化，所以，通過對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。Tmc domain24 E 31012 U 1615Leikacehactcr S3 w5 o-T5 oeprlj-dlduvFrequency dcmari/.o20tr匸 £一 cnu 工10N<irrrnli7efJ Frufluonry

9、x?Mainaoewdth（-MS）. <u oyReatr/e iidetooe arerwaxri： -Hi dti3通過控制變量的方法， 控制氣流速度，研究哨子縫隙尺寸的大小對哨子聲音強(qiáng)度的影 響，通過實(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，通過分貝測試儀，測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通過對問題及模型的簡單分析， 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)演算氣體流速對聲音強(qiáng)度的影響公式。根據(jù)質(zhì)量守恒原理,pVndSVndSSFiVxdFVxdFA Vn

10、dS，于是dvV t等式兩邊除以dx，取dx1 lim( dx 0 dx且dv dFdx，推導(dǎo)出，F(xiàn)2vxdFvndsF20的極限,VxdFFivxdF）VxdF，fFVndSVxdFdFfVxdF0t F哨子的發(fā)生原理是由氣流紊亂引起的，似，所以我們借助氣體一元流動的連續(xù)方程來分析哨子發(fā)生過程中的能量變化與守恒, 分析演算出能量變化對聲音強(qiáng)度的影響。x而氣流紊亂的方程分析與氣體一元流動問題相類 從而2依據(jù)能量守恒2訓(xùn)dv2V)vnds上式改成等式兩邊除以s (nV)ds2VT)dV Fdx，取 dxlim (dx 0dx v t2V)dv2nVds(fV)dvqndssdv)vxdF20的極

11、限得F2Fi2V )vxdF22V)Vnds22V )vxdF2Fi2V)vxdF22V()vnds22dF 二2V)vxdF2若哨子側(cè)面是剛性的,則其上流速為零。根據(jù)上若哨子側(cè)面是自由面，則摩擦力為零，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：A( nV)ds 0假設(shè)質(zhì)量力有勢 f(fV)dF(Vv )dvV【(V)(V)dv由質(zhì)量守恒連續(xù)方程(V)0，故V （fV）dV V （ V）dV V dV通過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

12、、動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)）對能量有直接的影響；（3）流動氣體的音速是狀態(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（如聲級計(jì)）來測量。一定強(qiáng)度的聲波作用于人聽覺器官所引起的一種辨別聲音強(qiáng)弱的感覺 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，10004000Hz的聲音人耳聽起來最響。在此范圍之外，隨著頻率的降低或 升高，響度愈來愈

13、弱，當(dāng)降至20Hz以下或升至20kHz以上時，則很難聽到。大體上，聲音增加10dB（聲壓級），其響度約增加1倍。由此可見，人耳主觀響度的感覺并不與聲音所含 的能量呈線性關(guān)系，聲音能量增加近4倍，主觀感覺響度增加 1倍。分貝頻奉（垃）7模型的應(yīng)用及結(jié)果分析通過對模型的分析以及對原理的演算和解析，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)境或場所的需要，對哨子的聲音響度會有不同的要求，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，以及通過公式的演算和推導(dǎo)，我們清楚的分析出了各

14、 個要素對聲音響度的影響，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。 通過對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聲音響度影響的變化圖像。2雖然我們在分析各要素的變化對聲音響度的影響時已經(jīng)十分全面，但仍有一些因素是 我們沒有考慮到的， 也有一些要素我們做了近似處理，所以勢必會對結(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)我們探索各因素對聲音響度的影響時，沒有將空氣對流場的擾動考慮進(jìn)去，因?yàn)檫@種擾 動是隨機(jī)的、不定項(xiàng)的，根據(jù)我們已有的知識無法建立動場與

15、發(fā)生響度之間的方程和受力分 析，所以，在接下來的研究與探索中，我們需要通過空氣動力學(xué)中的相關(guān)知識和假設(shè)，將流場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， 減少流場的擾動， 這樣十分有助于 出入的氣體更

16、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)氣體從哨口排出時就會有足夠的響度。同時， 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， 最大限度的減少了流場的擾動， 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，從哨口進(jìn)入氣流可以穩(wěn)定的被哨體切割， 哨子

17、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，我們設(shè)計(jì)出了最響 亮的哨子。問題 1：哨子的發(fā)生機(jī)理是一個復(fù)雜的過程， 提高哨子的聲音強(qiáng)度也需要一些切實(shí)可行的方法， 無 論采用什么樣的方法解決這個問題， 哨子的聲音強(qiáng)度都會受內(nèi)外因素的影響。 我們通過進(jìn)一 步的建立模型來模擬哨子的聲音強(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， 通過對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。 通過全方面的綜合分析， 我們建立了一個近似的模型來模擬發(fā)現(xiàn)這些 因素對哨子聲音強(qiáng)度的影響大小。 然后通過我們對這個模型的模擬效果， 更加有針對

18、性的去 提高哨子發(fā)聲強(qiáng)度。00.10 20 3040 50 6070 80.9Normalized Frequency (-.timespi rad/sample)|o o o O2 1mp) Hpwugw-20從上面的圖像我們可以知道不同的氣流速度會造成聲音的能量發(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，研究氣體流速對聲音響度的影響有著十分重要的意義。問題2通過對哨子聲音強(qiáng)度實(shí)際情況的分析，我們發(fā)現(xiàn)有許多因素可以影響哨子的聲音 強(qiáng)度：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)。 但是哨口的尺寸對聲音強(qiáng)度的影響更加明顯，所以，我們對哨口尺寸對聲音強(qiáng)度的影響作了合適的模型模擬，并且作了進(jìn)一步的深入研究。我們通過采用模型法和控制變量法來進(jìn)行研究，探索哨口尺寸對哨子聲音強(qiáng)度的影響程度。通過控制使哨體進(jìn)入相同的氣體量，然后通過專業(yè)的聲波接受儀接受哨子發(fā)出的聲波的振動形式，得到了不同哨口尺寸下的哨體聲波的振動圖像如圖：通過分