一种基于手机应用软件测量声速的方法

刘静　孙阿明　刘奕

【摘 要】本文介绍了一种利用普通的两端开口奶茶管的声驻波现象来测量声速的方法，只需两部普通智能手机和一根两端开口奶茶管即可进行实验。这种实验方法所用的实验仪器随手可得，无需学生再到学校的实验室进行实验，激发了学生的学习兴趣，增强了学生的动手能力。

【关键词】手机；应用软件；声速测量；奶茶管

【Abstract】This paper introduces a method to measure the sound speed by using the standing wave in the common milk tea tube that Opened at both ends. Just two smart phones and a tube are used in the experiment. For these instruments are readily available， we neednt to go to the school laboratory. This inspires the students learning interest and enhances their practical ability.

【Key words】Phone ；App； Sound velocity measurement； Milk tea tube

在大学物理实验中测量声速的方法有多种，它们的共同点是均需要专门的实验仪器来进行实验。如果能通过一些随手可得的工具来测量声速，无疑对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。而智能手机的普及和手机应用软件开发的进步使这样的想法变为现实[1]，本文给出了一种利用普通的两端开口奶茶管的声驻波现象来测量声速的方法，只需两部智能手机和一根两端开口奶茶管即可进行实验。

1 实验原理

在力学教材教材中[2]指出声波在一端封闭管中产生驻波的条件为：

其中l为管的长度，？姿是声波的波长。

当管子两端均开口时（即开管），管中形成驻波的条件为：

其中l'为开管的长度，？姿为对应的声波波长，n=1，2，3……如图1所示，

图1 两端开口管内空气柱的基频和谐频的本征振动

这是因为：当管的两端敞开时，因空气柱与外界大气相连，其压强恒等于大气压，不会发生压缩和膨胀形变，根据驻波知识可知，只有波腹处的体积元，才不会发生形变，因此空气柱的开端必然形成位移波腹。

若知道？驻f，则可求出v的大小。

2 实验材料与步骤

实验材料：智能手机两部，耳机一个，音频发生器软件，噪声检测仪软件，奶茶管。

实验方法：

（1）将音频发生器软件安装到一部智能手机上，将噪声检测仪安装到另一部手机上；

（2）将奶茶管平放在桌上，打开音频发生器软件，并用耳机将手机发出的声音送到管子一端处；

（3）打开另一手机中的噪声检测仪软件将该手机放置于开管的另一个端口处；

（4）连续改变音频发生器的频率时，噪声检测仪所捕捉的分贝值随之改变，出现多个峰值，并且发现频率越高峰值越大.这说明在传输这些声振动时，管内一定出现驻波，出现每一个峰值时记录下与之对应的频率；

（5）分析数据计算出声速值。

3 实验数据与误差分析

其中v0为0℃时空气中的声速，其值为v0=331.45m/s，本实验进行时，温度计显示实验室温度为17.5℃，计算出的声速理论值为v=341.903m/s。

实验中，我们采用不同商家的奶茶管来测量声速。当采用长17cm、直径为8mm的奶茶管时，测出的速度为v=334.6m/s，相对误差=2.11%；当采用长17cm、直径为12mm的奶茶管时，测出的速度为v=329.6m/s，相对误差=3.598%。

从以上的数据我们可以初步看出：对于长17cm、直径为8mm和12mm的两种奶茶管而言，从数据直接得到的声速相对误差比较大。如果从这两种规格的管子中选一个的话，理应选取长17cm、直径为8mm的奶茶管，但从实验数据的准确性的角度来看，这个数据又是不太可取的。为此，我们又换了另外一种规格的奶茶管来做相同的实验，这种管子的长度为22cm、直径为8mm。其所得实验数据如表1所示：

表1 长22cm、直径为8mm的奶茶管所得实验数据（室温17.5℃）

分析表1的所得声速数据，我们发现这种规格管子的测量结果相对误差为0.791%，这样的结果要明显好于前两次的结果。对于采用这么普通的智能手机应用软件和市面上常见的奶茶管而言，能得到这样的实验数据是相当不错的。比较三次实验的数据，我们发现管长与管径比值最大的实验结果在三组中是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。

4 结论

综上所述，对于常见的奶茶管，选取一定的长度、一定的直径，是可以较为准确地测量出空气中的声速的，这表明我们的实验方案是可行的。实验中所用奶茶管管长与管径比值最大的实验结果是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。所以我们的实验方法也只是估测空气中的声速。即便如此，本实验方法与传统的大学物理实验中测量声速方法相比，大大降低了门槛，实验操作相对较容易，所用的实验器材也是随手可得，学生只要两台安装了免费软件的普通智能手机和一根奶茶管即可进行声速的测量。这对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。

【参考文献】

[1]叶鹏松，沈月刚，等.利用手机软件实现共鸣法对声速的测量[J].物理教师，2013，34（11）：61-62.

[2]漆安慎，杜婵英.力学[M].2版.北京：高等教育出版社，2005：322-325.

[责任编辑：张涛]