计量、检测与生活

1、陈永良陈永良 教授教授 声波的产生与传播声波的产生与传播 声波的产生与传播声波的产生与传播 机械波机械波 电磁波电磁波 波波 机械振动在机械振动在弹性弹性介质中的传播介质中的传播. . 交变电磁场在空间的传播交变电磁场在空间的传播. . 两类波的不同之处两类波的不同之处 机械波的传播需有传机械波的传播需有传 播振动的介质播振动的介质; ; 电磁波的传播可不需电磁波的传播可不需 介质介质. . 2能量传播能量传播 2反射反射 2折射折射 2干涉干涉 2衍射衍射 两类波的共同特征两类波的共同特征 声波是机械波，是由振动产生声波是机械波，是由振动产生 1.1 声波的产生声波的产生 苍蝇飞行时每秒振翅

2、苍蝇飞行时每秒振翅147147200200次次 蝴蝶飞行时每秒振翅蝴蝶飞行时每秒振翅5 56 6 次次 1.2 声波的频率声波的频率 苍蝇和蚊子飞行时的声音是？苍蝇和蚊子飞行时的声音是？-嗡嗡嗡嗡嗡嗡 而蝴蝶飞行的声音是而蝴蝶飞行的声音是 ？ 声波频率声波频率 20Hz至至20000Hz 频率高于频率高于20000Hz的声波。的声波。 频率低于频率低于20Hz的声波。的声波。 每个同学耳朵能听的频响范围到底多少？每个同学耳朵能听的频响范围到底多少？ 检测一下！检测一下！ 请同学自己做好记录，写上名字。请同学自己做好记录，写上名字。 一听：低端，声音越来越低沉，音量越来越小。但输出的信号强度没变

3、，人 听不见并不意味着声波不存在， 高端，老师听不见；不是先天不足，如何证实？电视行频叫声产生 与监听；手机高频铃声的设置 收实验记录结果，并作不合格评价，抗辩申诉的依据？找到深层次的原因 假定请专家，法拉弟修电机故事，说到音响系统。 再听：1.0K,1.1K,1.2K.什么感觉，电子琴的味道。找到按键与音调关 系，即可模拟钢琴或电子琴；展示手机琴；缺点未表现击键力度 扯远一点，琴弦断裂，电子校音器，一个卖点、产品、比尔盖次其实生 活中类似可动脑的地方很多，血管探测仪/剥毛豆机/ 再而三听：正弦三角方波差异，为什么？ 三而四听：扫频 四而竭（五听）：烦了，不听，那就讲呗！ A4=440Hz 以

4、下是以下是c大调大调 各按键的各按键的 频率频率 Dou 264 单位是赫兹单位是赫兹(Hz) Ruai 297 Mi 330 Fa 352 Sou 396 La 440 Ti 496 Dou 528 任意一个周期函数任意一个周期函数 都可用正弦函数和余弦函数都可用正弦函数和余弦函数 构成的无穷级数来表示构成的无穷级数来表示 ( )f t 011 1 ( )(cossin) nn n f taantbnt 称为傅里叶级数称为傅里叶级数 t 直流分量直流分量 n=1n1 基波分量基波分量 n次谐波分量次谐波分量 0 1 1 ( )sin() 2 nn n a f tcnt 下图中三角波下图中三角

5、波的三角傅里叶级数。的三角傅里叶级数。 A ( )ft -T0 O T0 2T0 t 0 1 sin ( ) 2 n ntAA f t n 周期锯齿脉冲信号的傅里叶级数求解周期锯齿脉冲信号的傅里叶级数求解 t ()ft 2 E O 1 2 T 1 2 T 2 E 111 1 1 1 11 ( )sin()sin(2)sin(3) 23 1 ( 1)sin() n n E f tttt E nt n 其傅里叶级数表达式为：其傅里叶级数表达式为： 小资料小资料 声强级声强级L L： 0 log I I L 单位为贝耳单位为贝耳(Bel) 1Bel=10dB 0 log10 I I L 单位为分贝单

6、位为分贝(dB) 规定声强规定声强 I I0 0=10=10-12 -12瓦 瓦/ /米米2 2作为测定声强的标准作为测定声强的标准 如炮声声强如炮声声强 1瓦瓦/米米2 ，声强级，声强级120分贝分贝。 压力压力 声压声压 压强压强 声强声强 1.3 声波的强度声波的强度 让你亲身经历了一次听力的检测与试验让你亲身经历了一次听力的检测与试验 1 从声音的从声音的产生传播产生传播-可听可听与与不可听不可听 2 从从电视机行频电视机行频的尖叫音的尖叫音-手机高频铃音手机高频铃音的设置的设置 3 从听力检测试验中从听力检测试验中音响系统频响音响系统频响的影响的影响-法拉第的法拉第的电机维修电机维修

7、 4 从从模拟电子琴模拟电子琴-调音校准器调音校准器-血管显示器血管显示器-剥毛豆机剥毛豆机 5 从存在与意识的从存在与意识的哲学思想哲学思想-到到抽象数学问题抽象数学问题的真实体验的真实体验 6 从人工从人工声音的合成声音的合成-到你到你发音频域高低发音频域高低 声波的传播特性声波的传播特性 及其在检测中的应用及其在检测中的应用 声波是机械振动在弹性介质中的传播。 闪电雷鸣；闪电雷鸣； 烟花爆竹；烟花爆竹； 空谷回声空谷回声. 一、声波的传播是有速度的一、声波的传播是有速度的 我敲打桌子你马上听见了，我讲话你也马上听见了，但实际上声音的传播是有速度的， 是有延时的，生活中能说明这样情况的例子

8、很多，谁能举几个例子来证明呢？并且 能测出有多快呢？ 闪电雷声；烟花爆竹；空谷回声 究竟有多快呢？究竟有多快呢？ 如何证明如何证明? 声波在常见介质（气、液、固）中传播的速度表声波在常见介质（气、液、固）中传播的速度表 声波的速度声波的速度 这是一张普通的数据表格，类似的以后会经常碰到，这是一张普通的数据表格，类似的以后会经常碰到， 关键是你能从中发掘出一些什么有用的信息来。关键是你能从中发掘出一些什么有用的信息来。 (米米/秒秒) 声波在不同的介质中声波在不同的介质中 传播的速度不同。传播的速度不同。 空气：空气： sm343 sm1500 水水(液液)： sm55003500 固体：固体：

9、 说慢不慢说慢不慢=说话马上听见，感觉不到滞后；说快不快说话马上听见，感觉不到滞后；说快不快=1秒钟只能跑秒钟只能跑340米。米。 假如从北京到杭州假如从北京到杭州 设想：如果声速和光速一样快，世界会怎样？设想：如果声速和光速一样快，世界会怎样？ 如果声速变为如果声速变为5m/s，世界会怎样？，世界会怎样？ 说慢不慢说慢不慢=说话马上听见，感觉不到滞后；说话马上听见，感觉不到滞后； 说快不快，说快不快，1秒钟也只能跑秒钟也只能跑340米。米。 假如从北京到杭州假如从北京到杭州 hs sm m t82. 02941 /340 101000 3 1 如果是通过铁轨呢如果是通过铁轨呢? 192.3秒

10、秒 3 3.3 10秒 如果是无线电波或光波呢如果是无线电波或光波呢? 人类在与大自然长期的共存共生环境中，演化的是多么和谐与完美，有些问人类在与大自然长期的共存共生环境中，演化的是多么和谐与完美，有些问 题是一旦发生改变，世界将会完全乱套！题是一旦发生改变，世界将会完全乱套！ 比如说比如说 请设想：如果声速变为请设想：如果声速变为5m/s5m/s，世界又会怎样？，世界又会怎样？ 如果声速和光速一样快，世界会怎样？如果声速和光速一样快，世界会怎样？ 前几天学校刚开过运动会，现来看看声波和声速在运动会赛场上的应用情况前几天学校刚开过运动会，现来看看声波和声速在运动会赛场上的应用情况 声音通过空气

11、：声音通过空气： 杭州杭州 北京北京 1抢劫之类的事件易发生，因逃跑的速度大于喊叫援救的速度；同时逃犯 却很容易被捉拿归案，因为警车开到他跟前他还没听到警铃警报声。 2谁敢再去户外爬山？ 3交通事故一定会频发。因为一直按喇叭也再会奏效。 4所有歌星笑星就没了市场，所有演唱会都会是一场牛头不对马嘴的混乱 会。口形不对，不同距离的乐器不对。 5更离谱的是今天夜里看闪电，明天早晨听到雷声。 科幻与设想科幻与设想 1抢劫之类的事件易发生抢劫之类的事件易发生； 2逃犯却很容易被捉拿归案逃犯却很容易被捉拿归案； 3人们不敢轻易参加户外运动人们不敢轻易参加户外运动,特别是爬山特别是爬山； 4交通事故一定会频

12、发交通事故一定会频发； 5所有歌星笑星就没了市场所有歌星笑星就没了市场； 6今天夜里看闪电，明天早晨听雷声；今天夜里看闪电，明天早晨听雷声； 7 我将不存在，因为我会被雷电吓死，不知你们会怎样？我将不存在，因为我会被雷电吓死，不知你们会怎样？ 假设假设1: 声声速速5 5米米/秒秒 假设假设2: 如果声速和光速一样快，世界会怎样？如果声速和光速一样快，世界会怎样？ 今天学校在开运动会，现来看看声波和声速在运动会赛场上的应用情况今天学校在开运动会，现来看看声波和声速在运动会赛场上的应用情况 终点计时员：既不听枪声，也不管动作，唯看发令枪烟火。装备：秒表 起点发令员：发令枪，产生声音和白烟 +黑色

13、背景幕，凸现白烟 运动员：听枪声起跑 雨雾天气改期延期 运动员：听枪声起跑，如何避免输在起跑线？ 标准跑道间距为标准跑道间距为1.221.22米，共有米，共有8 8道道 间距：间距：L=1.25L=1.258=108=10（米）（米） 时差：时差：T= T= 103400.030.03秒秒 1968.10.14海因斯海因斯9.95 1983.7.3史密斯史密斯9.93 1988.9.24刘易斯刘易斯9.92 1991.6.14布雷尔布雷尔9.90 1991.8.25刘易斯刘易斯9.86 1994.7.6布雷尔布雷尔9.85 1996.7.27贝利贝利9.84 1999.6.16格林格林9.79

14、 2005.6.14鲍威尔鲍威尔9.77 2007.9.9鲍威尔鲍威尔9.74 2008.6.1博尔特博尔特9.72 2008.8.16博尔特博尔特9.69 2009.8.17博尔特博尔特9.58 日期日期选手选手成绩（秒）成绩（秒） 运动会上每个不起眼的细节： 跑道上运动员的道次选择； 起点发令员的站位、装备、甚至动作； 终点计时员的看与听； 举办的气象条件； 正规大赛的技术装备。 每一环节都将关系到最后比赛的结果， 你能否利用规则，扬长避短，获得先机与优势，充实掌握知识是必要的，但更需要的是 智慧灵活利用知识的智慧。 声音传播需要时间也许是尽人皆知的，但在如何正确选择处理发令员站位? 如何

15、选择最优起跑线道次? 如何正确使用计量计时方法? 如何排除干扰减小误差?等等， 你作为 运动员、裁判员、技术官员、领队甚至拉拉队员， 你都能注意到了吗？并在必 要时作为提出改进、申诉与抗辩依据吗？ 声波在常见介质（气、液、固）中传播的速度表声波在常见介质（气、液、固）中传播的速度表 声波的速度声波的速度 这是一张普通的数据表格，类似的以后会经常碰到，这是一张普通的数据表格，类似的以后会经常碰到， 关键是你能从中发掘出一些什么有用的信息来。关键是你能从中发掘出一些什么有用的信息来。 (米米/秒秒) 声波在不同的介质中声波在不同的介质中 传播的速度不同。传播的速度不同。 即使同一种介质，温即使同一

16、种介质，温 度不同，声速也不同度不同，声速也不同 不同水温和声速的对应关系不同水温和声速的对应关系 厄尔尼诺（厄尔尼诺（El Nino）现象：）现象： 海水温度较常年异常偏高，导致全球性气候异常，干旱与洪涝严重失调。 拉尼娜拉尼娜（La Nina）现象：现象： 厄尔尼诺的反现象，海水温度较常年异常偏低。 现在全人类都高度关注环境与环保的问题，同学谁知道海水中的 厄尔尼诺（El Nino）现象和拉尼娜（La Nina），）， 海洋温度升高或降低如何有效测得呢？海洋温度升高或降低如何有效测得呢？ 1 水温变化的测量精度要求很高 2 测量布点范围要广 3 各测点要在同一时间段进行测量 4 可长年有效

17、运行 由于海水的热容量很大，水温的微小变化就会引起环境的大变化，所以对水温变化的测量 精度要求很高。其次，由于海洋范围很广，不同方位和不同深度的温差和起伏都得很 大，某点的局部温度不足以代表整个海洋，假如用单点温度计来测，测得准不准暂且 不说，首先有3个要求要解决： 1在不同方位、不同距离、不同深度上要布设大量的测点，用以综合平均与计算 2各测点要求在同一时间段进行测量。 3系统可长年有效运行。 工作量和难度都很大。大家是否可以考虑利用声波速度与温度的关系来解决这一难题呢？ 科学家们巧妙地利用了声波的两个特性，1在海水中衰减很小传的很远（如声纳）和2传 播速度受水温影响，在南印度洋的赫德岛 南

18、印度洋赫德岛位置南印度洋赫德岛位置 南极洲南极洲 非洲非洲 澳大利亚澳大利亚 亚洲亚洲 由于声波经过的是整个海洋环境，其结果等效为传播由于声波经过的是整个海洋环境，其结果等效为传播 途径上无数多个测量点的综合效果。途径上无数多个测量点的综合效果。 利用声速测量海水温度变化利用声速测量海水温度变化 研究人员在南印度洋的赫德岛，设置一个功率为研究人员在南印度洋的赫德岛，设置一个功率为5000瓦瓦 的声源；然后在亚洲、大洋洲、南极洲和美洲东西部海岸设的声源；然后在亚洲、大洋洲、南极洲和美洲东西部海岸设 点接收声波，通过测量海洋中的声速到达时间的变化，就能点接收声波，通过测量海洋中的声速到达时间的变化

19、，就能 很容易地准确计算出海洋的平均温度的变化。很容易地准确计算出海洋的平均温度的变化。 由于声波经过的是整个海洋环境，其结果等效为传播途由于声波经过的是整个海洋环境，其结果等效为传播途 径上无数多个测量点的综合效果。径上无数多个测量点的综合效果。 在南印度洋设的赫德发射站的声波可在 18000 公里外收到，若海水声速为1500米/秒，需耗 时3时20分。 若海水温度变化引起声速的变化为1500+1米/ 秒，则时间差可达8秒。 用这个系统可测每年水温变化准到 0.01 。 多普勒效应及在检测中的应用多普勒效应及在检测中的应用 R v s v s :v波源相对介质的运动速度波源相对介质的运动速度

20、 R :v 观察者相对介质的运动速度观察者相对介质的运动速度 当观察者与波源之间有相对运动时，观察者当观察者与波源之间有相对运动时，观察者 所测得的所测得的频频率率 不同于波源频率不同于波源频率 的现象，称的现象，称 为为多普勒效应多普勒效应。 f sR (,)vv 具体定量关系具体定量关系: ),( Rs vv f u u f s v 一、一、观察者静止观察者静止 , 波源运动，此时波源运动，此时 ， R 0v 二者靠近：二者靠近：取正值，远离取负值取正值，远离取负值 s v 三、三、观察者和波源都运动，此时观察者和波源都运动，此时 ， f u u f s R v v 二者靠近：二者靠近：取

21、正值，远离取负值取正值，远离取负值 sR ,vv 二、二、观察者运动观察者运动 , 波源静止，此时波源静止，此时 ， s 0v 二者靠近：二者靠近：取正值，远离取负值取正值，远离取负值 R v f u u f R v 应用应用1：一人测得火车来时鸣笛的频率为一人测得火车来时鸣笛的频率为1 440fHz 离去离去 ，已知声速为，已知声速为2 392fHzsmu/330 求车速求车速 解：解： 100 330 440 330 ss u fff uvv 200 330 392 330 ss u fff uvv 1 2 330440 330392 s s f f sm s /19 得：得： 相当于相当

22、于68.4千米小时千米小时 应用应用2 2： 利用利用多普勒效应监测车速多普勒效应监测车速，固定波源发出频率为，固定波源发出频率为 的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装 在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率为在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率为 已知空气中的声速为已知空气中的声速为 ， 求车速求车速 . . 如果如果设定限速为设定限速为120120公里公里/ /小时小时, ,反射波的频率应为反射波的频率应为? 100kHzf 1 1 0 k H zf 1 ms330 u 0 v 解解 1 1）车为接收器车为接收器 0 u ff u

23、v 2 2）车为波源车为波源 s u ff u v 0 s u f u v v 车速车速 1 0s 56.8 km h ff u ff vv 如果限速为如果限速为120120公里公里/ /小时，则频率应为小时，则频率应为122.5kHz122.5kHz 图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。 发射器射出频率发射器射出频率 f=40kHz40kHz左右的超声波。如果有人进入左右的超声波。如果有人进入 信号的有效区域，相对速度为信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回接收，从人体反射回接收 器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移器的超声波将由于

24、多普勒效应，而发生频率偏移 f。 回波测距的原理图 障碍物障碍物 发射发射 接收接收 测距仪测距仪 测距的基本公式为：测距的基本公式为： v声波的速度声波的速度 t为声波往返所需时间为声波往返所需时间 vtS 2 1 由测距公式可知，如何精确测量出时间由测距公式可知，如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由于测量时间的值是测距的关键。由于测量时间t的方的方 法不同，产生了两种测距方法：脉冲测距和相位测距。法不同，产生了两种测距方法：脉冲测距和相位测距。 应用应用1：空谷回音：空谷回音估计估计 对面障碍物或高山的距离对面障碍物或高山的距离 应用应用2：超声波汽车倒车防撞报警器：超声波汽车倒车防撞报警器 应用应用3：超声波测距仪：超声波测距仪 应用应用4： 应用应用1：鱼群探测：鱼群探测 应用应用2：海底