張平，王樂新，李慶達，劉艷萍，朱文霞

（1.黑龍江八一農墾大學理學院，大慶163319；2.黑龍江八一農墾大學工程學院；3.大慶大豐能源科技服務有限公司）

聲音接收器激發(fā)效果特性研究

張平1，王樂新1，李慶達2，劉艷萍3，朱文霞1

（1.黑龍江八一農墾大學理學院，大慶163319；2.黑龍江八一農墾大學工程學院；3.大慶大豐能源科技服務有限公司）

利用控制變量法，研究了聲源振幅、頻率以及距離對聲音接收器激發(fā)效果的影響。結果表明，振幅增大會使聲音接收器激發(fā)效果值升高，但增速逐漸減緩；聲源頻率升高會使激發(fā)效果值先增大后減小，呈現“單峰性”；聲源和聲音接收器間距離增大時激發(fā)效果值會逐漸降低。影響聲音接收器激發(fā)效果的根本原因是聲音的性質及聲音接收器的結構特點。如果將研究成果合理應用能在“銷”和“售”兩方面激發(fā)市場的活力。

振幅；頻率；距離；應用

世界上聲音無處不在，從水中的魚類到陸地上的哺乳動物，從地球深處的火山源頭到天空中的飛機和飛鳥……都能發(fā)出各自獨特的聲音，這些聲音有的我們能聽到，有的則超出了我們的聽覺范圍。為了更有效地讓各種聲音為人類服務，我們發(fā)明了各種各樣的聲音接收器：手機話筒、會議室的麥克風、深海里聆聽鯨魚交流的次聲波接收器［1］、研究蝙蝠的超聲波接收器［2］、各種場合的聲控延時開關［3］等等。為了能讓聲音更好地為人類服務，人們做了許多關于聲音接收器的研究：有基于仿生目標聲音識別的研究［4］，有關于聲音識別算法的研究［5-6］等等，但關于聲音接收器激發(fā)效果和聲源特性之間的研究還相對較少。如果找到聲音接收器激發(fā)效果特性的具體影響因素，一方面有助于聲音接收器的設計研究，另一方面能為消費者選購指明方向。為了找尋聲音接收器激發(fā)效果特性的影響因素，通過實驗來研究分析。

1 實驗研究

實驗系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、揚聲器、SKD5聲控LED旋律燈和照度計四部分組成。實驗中保持四者位置不變，通過調節(jié)頻率和電壓來改變揚聲器聲音的音調和響度，聲控燈接收到揚聲器的聲音信號后開始發(fā)光，照度計記錄光強數據。實驗儀器組合圖如圖（1）所示：

圖1 實驗儀器組合圖Fig.1The diagram of the instrument combination

實驗的核心部分為SKD5聲控LED旋律燈，其詳細電路圖如圖（2）所示：主要由電源電路、話筒放大電路、LED發(fā)光電路組成。電源由J1輸入，C1濾波供電路使用。MK1將聲音信號轉化為電信號，經C2耦合到Q2放大，放大后的信號送到Q1基極，由Q1驅動5只LED發(fā)光，在閾值范圍內聲響越大LED燈越亮。

圖2 SKD5聲控LED旋律燈電路圖Fig.2The circuit diagram of SKD5 sound control LED melody light

1.1 激發(fā)效果與振幅之間的關系

利用控制變量法，先保持頻率不變，調整電壓的大小改變聲音的振幅，觀測并記錄光強值。由于人正常說話頻率大致在200～600 Hz間［7］，實驗中選取250、280、360、410、460和550 Hz幾組頻率進行實驗，結果如圖3～8所示：

圖3～8走勢表明，當頻率保持恒定時，隨著振幅增大，激發(fā)效果值逐漸升高，但電壓增大到一定程度以后光強不再隨著電壓增大繼續(xù)增強，即光強會達到最大值，究其原因主要有：（1）任何聲音接收器都是通過震動膜的震動來接收，當震動膜振幅達到自身的限值后無法再繼續(xù)增大。（2）實驗中聲控燈的亮度有最大值，達到最亮后光強增長隨即停止。

圖3 頻率f=250 Hz時光強和電壓之間的關系Fig.3Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 250 Hz

圖4 頻率f=280 Hz時光強和電壓之間的關系Fig.4Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 280 Hz

圖5 頻率f=360 Hz時光強和電壓之間的關系Fig.5Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 360 Hz

圖6 頻率f=410 Hz時光強和電壓之間的關系Fig.6Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 410 Hz

圖7 頻率f=460 Hz時光強和電壓之間的關系Fig.7Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 460 Hz

圖8 頻率f=550 Hz時光強和電壓之間的關系Fig.8Relationship of light intensity and voltage when the frequency was 550 Hz

1.2 激發(fā)效果與頻率之間的關系

研究頻率對光強影響時保持電壓不變，調節(jié)頻率變化，觀察并記錄光強。由于實驗中電壓在1.8～3.5 V時聲控燈能更容易處于激發(fā)狀態(tài)，因此選取電壓為2.0 V、3.0 V兩組數據進行實驗，結果如圖9～10所示：

圖9 電壓U=2.0 V時光強和頻率之間的關系Fig.9Relationship of light intensity and frequency when the voltage was 2.0 V

圖10 電壓U=3.0 V時光強和頻率之間的關系Fig.10Relationship of light intensity and frequency when the voltage was 3.0 V

圖9～10圖像走勢表明，在振幅保持恒定時聲音的激發(fā)效果值開始隨著頻率升高而增大，但增長速度逐漸變緩，當到達某個臨界值后開始降低，即呈現“單峰性”。原因為：聲音接收器的震動膜做的是受迫振動，根據受迫振動的特點［8］可知，當聲音的驅動頻率和震動膜固有頻率接近時激發(fā)效果升高，反之降低。次聲波和超聲波激發(fā)聲控燈或者其他普通聲音接收器時很難有好的效果原因就在于此。

1.3 激發(fā)效果與聲源距離之間的關系

聲音接收器激發(fā)效果除了和聲源特性有關外還和聲控燈與聲源之間距離有關，為了研究激發(fā)效果和聲源距離之間的關系，維持聲源振幅和頻率恒定不變。根據1.1～1.2的實驗結果，為了讓聲控燈處于最佳激發(fā)狀態(tài)，電壓取3 V、頻率取280 Hz，調整聲源與聲控燈之間的距離并記錄光強值，結果如圖11所示：

圖11 光強和聲源距離之間的關系Fig.11Relationship of light intensity and sound source distance

實驗結果表明：隨著距離增大，開始時聲控燈激發(fā)效果值幾乎不變，但當距離大到一定值以后聲控燈激發(fā)效果值會隨著距離增大不斷減小。產生的原因為：開始階段激發(fā)效果值幾乎不變是因為在此距離范圍內聲音能量足夠強使得聲控燈的震動膜處于極限震動狀態(tài)，聲控燈光強能保持在最大值附近，當距離進一步增大后由于聲控燈接收到的聲音能量減弱，聲控燈震動膜振幅減小，聲控燈光強降低。

2 結果分析和討論

為了便于橫向研究比較，將圖3～8實驗結果置于同一個坐標系中，如圖12所示。從圖中可以看出雖然各條曲線走勢相同，但對應電壓同一數值時不同頻率下光強值不同，頻率等于280 Hz時光強值高于其他頻率時的光強值，從側面表現出了光強隨頻率增長出現的“先增后減”趨勢。

圖12 不同頻率時激發(fā)效果對比圖Fig.12Excitation effect different frequencies comparison chart

為了從“光強-頻率”走勢圖中得出激發(fā)效果隨電壓的變化趨勢，將圖9～10置于同一坐標系如圖13所示，容易發(fā)現如下規(guī)律：頻率相同時3 V電壓對應的光強比2 V電壓對應的光強要大，即光強隨著電壓增大而增長。

通過橫向比較研究發(fā)現從“光強-頻率”圖中能得出光強隨電壓的變化規(guī)律，同樣在“光強-電壓”曲線之間比較也能發(fā)現光強和頻率之間的關系。兩個實驗相輔相成，共同揭示了聲控燈的激發(fā)效果隨振幅、頻率變化的規(guī)律。

眾所周知，聲波在傳播過程中能量會逐漸降低，如果聲源和聲音接收器之間距離過大，即使聲音接收器設計符合聲源的振幅和頻率要求也無法取得良好的效果。因此保持足夠近的距離是聲音接收器能夠正常工作的一個重要前提。

圖13 不同電壓時激發(fā)效果對比圖Fig.13Excitation effect of different voltages comparison chart

3 應用前景

市場規(guī)律的核心內容是：企業(yè)以市場需求情況、產品銷售情況來確定資源配置和產品生產，并通過市場最終獲取經濟效益。商家要想讓自己的產品在市場上占有一席之地，一個重要的先決條件就是產品必須能滿足消費者的需要［9-10］。要讓消費者能夠認知自己的產品，這里所謂的“認知”包括三層：視覺上的美觀、功能上的易用、情感上的依賴［11］，在這三個層面里“功能上的易用”尤其重要，如果功能不能滿足消費者要求，其他因素做的再好也是無稽之談。因此設計者在設計聲音接收器時必須要先考察使用環(huán)境聲音的響度、音調及安放位置等要素，這樣才能更好地服務于客戶。聲音響度和音調決定于聲音的振幅和頻率，如果在設計產品之前先了解了聲音接收器激發(fā)效果和振幅、頻率及接收器和聲源距離之間的關系，將會使設計效果達到最佳狀態(tài)。

改革開放以后，我國生產力飛速發(fā)展，市場上各種商品琳瑯滿目，近些年來隨著淘寶、京東等網絡市場的興起，廣大消費者在足不出戶的情況下就能瀏覽到自己喜歡的商品。同時消費者需要學會“慧眼識金”，在眾多商品中挑選出適合自己的款式。“適合”除了指外形、顏色等方面外，實用效果是重中之重的方面。消費者在選擇麥克風等聲音接收器的時候需要先了解自己的使用環(huán)境，然后選擇最適合自己的產品。許多歌星都有自己的專用麥克風，就是因為每個歌星聲音的振幅、頻率分布各不相同，找到最容易受自己嗓音激發(fā)的款式，才能更好地展現自己聲音的魅力。

因此掌握聲音接收器的激發(fā)特性，會使設計者的產品更受歡迎，使消費者選擇時更加自如。買賣雙方同時受益的同時，就會激發(fā)市場的活力。

4 結束語

綜上所述，聲音接收器的激發(fā)效果值隨著振幅增大而增長，但增長速度逐漸減緩；隨著頻率的增大，聲音接收器激發(fā)效果值會先增長后降低，呈現“單峰性”，其原因主要是任何聲音接收器的震動膜都有固有頻率，震動膜共振曲線和實驗中的“單峰曲線”相互印證；由于聲波中的能量會隨著距離增大而衰減，當聲音接收器和聲源之間距離增大時激發(fā)效果值降低。設計者應考慮聲音接收器使用環(huán)境而選取不同的材料和設計結構，才能開拓更廣闊的市場，而使用者在購買產品之前應先對自己自身情況做一個簡單評估然后再去選擇，這樣才能選出最適合自己的產品。熟知聲音接收器激發(fā)效果的特性對其應用市場有著實際而深遠的影響。

［1］李新欣.船舶及鯨類聲信號特征提取和分類識別研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［2］劉洋.蝙蝠聽覺和食性相關基因的分子進化研究［D］.上海：華東師范大學，2012.

［3］王俊峰.中國十大行業(yè)常用電路［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［4］張文娟.基于聽覺仿生的目標聲音識別系統(tǒng)研究［D］.長春：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2012.

［5］呂霄云.基于MFCC和GMM的異常聲音識別算法研究［D］.成都：西南交通大學，2010.

［6］劉曉宇.基于神經網絡的聲音識別算法研究［D］.北京：北京郵電大學，2014.

［7］董明，劉加，劉潤生.快速口音自適應的動態(tài)說話人選擇性訓練［J］.清華大學學報，2005（7）：912-915.

［8］陶湘.從功能關系討論受迫振動的振幅［J］.大學物理，1994，13（11）：5-8.

［9］潘萍萍.“王加”銷售業(yè)績差距原因探析及建言［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2013，25（6）：103-107.

［10］江林.消費者行為學［M］.2版.北京：科學出版社，2006.

［11］鄭佳.品牌管理［M］.杭州：浙江大學出版社，2010.

Characteristic Research of Sound Receiver Excitation Effect

Zhang Ping1，Wang Lexin1，Li Qingda2，Liu Yanping3，Zhu Wenxia1
（1.College of Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University；3.Daqing Dafeng Energy Technical Service Limited Company）

Controlling variate method was used to study the relationships between sound receiver excitation effect and sound source amplitude，frequency and distance.The experiment results showed that the value of the excitation effect could be higher with the growth of sound source’s amplitude，but the growth gradually became slow.When the frequency got higher，the value of excitation effect increased firstly but then decreased，and appeared the phenomenon of single peak.The value of excitation effect decresed with the growth of distance between sound source and sound receiver.The root caused that determining the excitation effect were sound source characteristic and the structure of sound receiver.If the research results could be reasonably applied to the marketing and sold two aspects to stimulate the vitality of the market.

amplitude；frequency；distance；application

O4-33

A

1002-2090（2016）04-0135-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.030

2015-09-02

黑龍江八一農墾大學校級教研課題（設計性實驗教學模式的探索）；黑龍江八一農墾大學校級教研課題（在幕課背景下，提高學生自主學習大學物理能力的方法研究）；黑龍江省青年科學基金項目（QC2014C058）。

張平（1982-），男，實驗師，寧夏大學畢業(yè)，現主要從事物理實驗設計與創(chuàng)新方面的研究工作。