基于DIS系统测定自制音叉振动频率的研究

侯俊杰 邱泰光 王昆林

(楚雄师范学院物理与电子科学系 云南 楚雄 675000)

音叉振动所发出的声波是纯音，对于纯音频率的测定有多种方法，随着数字化信息系统(DIS)的问世，对测定其纯音声波的频率就显得较为容易了．笔者自制了一只双叉股音叉，要确定其音叉振动时的频率．采用微电流传感器结合DIS数据采集系统，变更测量参量，通过其参量转换，测定出了该自制音叉的振动频率．经过比较分析研究，可知测定出的频率是较为准确的．

1 方案设计

将一根直径为0.05 mm的漆包铜导线固着在一根有一定强度的细铝条上，用透明胶布粘贴在音叉的叉股上，漆包线、铝条、胶布三者的质量之和远小于音叉的质量，可忽略不计.

如图1所示,构建好测试系统．将固着有漆包线的一只叉股置于U形磁铁的匀强磁场中，侧向敲击音叉后，音叉以固有频率振动带动漆包线在匀强磁场中振动，切割磁力线产生感应电动势，从而在闭合漆包线回路中产生微小电流，将微电流传感器(型号：LW6111， 量程：-1μA ～ +1μA )串联接入感应回路中，检测到微小感应电流，此微小电流是振动产生的交变电流，其频率与叉股的振动频率是一致的.只要利用微电流传感器，将所接收到的感应电流传入计算机中，测定出感应电流的频率就知道该音叉的振动频率．为验证此方法的可行性，先用一只已知固有频率的标准音叉进行比较性测试研究后，再对自制音叉进行测试．

图1 音叉频率测试图

2 实验测试

2.1 测量标准音叉振动频率

将已知频率为256 Hz的标准音叉，按照图1构建好测试系统后进行测试．所测得数据见表1.

表1 标准音叉测试数据表

注：选取计算机所获得的数据，振动音叉采样图的某一个波峰，所对应的时间为起始时间T始，往后数到第60个波峰所对应的时间为T末，此时两个时刻所间隔的时间为60个周期，以下表2与此相同．(f=256 Hz,采样频率1 kHz)

绝对误差

1.763 135 1 Hz

相对误差

不确定度分析：由于整个实验的测量数据都由计算机完成，因此在这里就不考虑A类不确定度，故此时考虑计算机计数器本身的误差，则

则不确定度为

所以待测音叉的频率

f=(254.236 8±0.001 1) Hz

从实验中得出，在一定误差范围内此方法是可行的．将其数据由DIS系统转换为图形显示模式得到振动频率图像，如图2所示.

图2 标准音叉测试图形显示(采样频率1 kHz)

2.2 测量自制音叉的振动频率

将待测的自制音叉，按照图1构建好测试系统后进行测试，由于不知道待测音叉的频率大概在什么范围，开始先选用了采样频率为100 Hz，进行试探性测量后，得到自制音叉的频率在66 Hz左右，将其转换为DIS系统图形显示模式得到振动频率图像,如图3所示.

图3 自制音叉测试图形显示(采样频率100 Hz)

从图3看出振动频率图像发生畸变，其原因是采样点数不够，故只要选用更高的采样频率，便可得到更多的样点，绘制出更光滑的图像．将采样频率提高到1 kHz再次进行实验 ，得到的数据见表2.

表2 自制音叉频率测定数据表

注：(采样频率1 kHz)

不确定度分析：由于两次测量都采用同一装置，故对于B类不确定度是相同的,即

则不确定度为

所以待测音叉的频率

f=66.4452±0.0011 Hz

将其数据转换为DIS系统图形显示模式可得到振动频率图像,如图4所示.

图4 自制音叉测试图形显示(采样频率1 kHz)

从所得图像可以看出：选择1 kHz采样频率时，在音叉振动的一个周期内，可以采集到16个点，得到了光滑连续的图像，可说明的是，传感器采样率的高低虽然会影响到测量得到的图像 ，但在传感器的采样频率与待测音叉的频率相匹配情况下，对所测得的结果影响并不大．

3 结束语

综上可知，通过自制装置将音叉的振动转为交变的感应电流，运用DIS数字信息化系统结合微电流传感器，测出感应电流的频率从而得到音叉的振动频率，此种方法不论从理论上还是实际操作中来说都是可行的．需要注意的是其传感器的采样频率与待测音叉的频率要相匹配．在两者频率相匹配的情况下，采样频率较高，可采到的样点较多，绘制出的图线就较为平滑，测量得到的频率也较为准确．

1 刘才明.大学物理实验中测量不确定度的评定与表示.大学物理,1997(8)

2 朱肇瑞，俞云中，刘艳春.创造技法与物理实验.成都：西南交通大学出版社，1999.107

3 易其顺，陈列春，闭剑锋.利用驻波原理测量音叉频率.中国现代教育准备，2006(3)

4 易其顺，蒋志年，闭剑锋.利用利萨如图形测量音叉频率.大学物理实验，2005(4)

5 易永,李汀萍.数字信息化系统实验(DIS)的量化规程.萍乡高等专科学校学报，2008(3)