2013年8月13日 星期二

用電腦+耳機測聲速

會有這個點子,是看了這篇國展仿製的。想要詳細清楚的作法,可以看那篇科展的內容。

不過我本來是想要做比較複雜的裝置,結果沒想到我只是把耳機插到電腦上,裝置就完成了。是的,測量聲速,只需要一個耳機。耳塞式的,不用太貴,便宜的都可以。我用的是很久以前某個不知道誰送的mp3 player附的耳機。從塵封的抽屜中拿出來,插到電腦的「麥克風孔」上,接著,把兩個耳機放到距離50cm處,用膠帶貼起來。就完成了硬體裝置。


這東西的原理很簡單,就是電腦會把兩個耳機當做立體聲麥克風的左右兩個聲道。我在左側發出一個聲音,左邊的耳機(麥克風)會先記錄到,然後等聲音傳到右邊的耳機時,就會在右聲道記錄第二個聲音。

從上面的圖可以看出來,我的手在左邊耳機敲一下,電腦會記錄左聲道有很大的聲音,但是右聲道沒有,代表左右聲道真的有分離。

簡單的部份完畢了,後面很難,基本上算是未完成。只是先唬爛一下

首先是音源,我拿了小木鎚在左邊用力的敲了一下,記錄到了明顯的peak,但是到右邊已經衰減到幾乎看不到記錄了。但是聲音又不能太雜亂,這樣記錄到的波形很亂的話,就比較難分析。總之我就先用小木鎚敲了

接下來更困難而且很唬爛,就是要分析到底左聲道的哪一個peak會對應到右聲道的哪一個peak。目前看起來,似乎會「反相」,也就是左聲道是波峰的,到右聲道的時候變成波谷。但我不知道為什麼。

以下看圖,我總共敲了三次,記錄三個peak。用的錄音軟體是audacity,這軟體可以很容易的放大振幅,也可以拉寬時間軸。

首先看第一個peak的第一個波峰,看下面我用紅框框起來的,就是我瞄準了波峰的位置是在第18個記錄點。為了blogger的邊界不要爆掉,所以我沒有把圖放大。有興趣的可以點圖去看原圖就知道我在講什麼。



接著就是要唬爛的地方了,右聲道我抓的是第一個波谷,因為左聲道是明顯的先往下一些些,然後再明顯的往上。但是右聲道卻是先微微的往上(幾乎貼著基準線)然後再向下。

所以我猜兩邊記錄到的波形是反相的。也就是左聲道我抓的第一個波峰,是右聲道的第一個波谷。

唬爛完畢,那麼時間點呢?差不多介於79~80之間。那來估計值一下算是79.5,那麼兩個波的時間差,就是79.5-18=61.5個記錄點的差距。

我的取樣率是44100,所以兩者的時間差就是61.5/44100。

為了怕實驗誤差,於是我敲了三次,就記錄了三組數據。來看看吧:


Peak2, 左聲道:1732


Peak2, 右聲道:1794

兩聲道差距:1794-1732=62


Peak3 左聲道:4268~4269

Peak3 右聲道:4331~4332

兩聲道差距=4331.5-4268.5=63

61.5, 62, 63平均是62.2

也就是平均找到左右聲道的時間差是62.2/44100,那麼再用距離為0.5m去除,就可以得到聲速為354.6m/s,以我測量時的室溫大約是31度,以聲速=331+0.6T計算,聲速為349.6,這樣誤差大約是1.4%



以這樣的實驗裝置來說,可以測到1.4%的誤差我覺得算是蠻不錯的。如果可以讓耳機距離更遠,或找到更乾淨強力的訊源,讓聲波乾淨一點,更好判斷一點。這實驗應該可以更準也更有說服力。





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