目錄：1背景：哨子在生活和生產(chǎn)中已經(jīng)有了廣泛的應用，哨子是能夠發(fā)出聲音的裝置，通過將空氣快速壓入一個狹小的空間裝置內造成氣流的紊亂，從而能夠發(fā)出強烈的聲響。交警通過哨子來引導車流通過，軍人通過緊急的哨響來達到緊急集合的目的，體育賽事中，裁判通過哨聲來判罰和指導比賽的進行，當人們處在危險當中時能夠通過強烈的哨響來發(fā)出求救的信號。所以具有高音質的哨子往往在生產(chǎn)和生活中能夠發(fā)揮巨大的作用。所以能否設計出一個足夠響亮的哨子是能否提高生活品質和生產(chǎn)效率的關鍵？2假設：1哨子的聲響是由空氣振動引起的氣流紊亂造成的，不同強度的氣流會影響哨子的聲音強度。2哨子的聲響與空氣的濕度和流速有關，空氣的濕度會對空氣的音色、音質造成不同程度的影響，不同流速的空氣會發(fā)出不同的聲響。3哨子的聲響與氣體所受摩擦力有關。哨體內的摩擦力會會造成聲波能量的損失，會嚴重削弱聲響的強度。4哨子的聲響受流場擾動影響，不同的氣流會走不同的路線，這樣就形成了不同分布的流場，會造成壓強發(fā)生差異，從而會影響聲音的強度。5哨子的聲響與哨子的材質有關，不同的材質具有不同的聲色，不同的聲色也會影響聲音的強度變化，所以，材質也會造成聲音強度的變化。6哨子的聲響與聲波的反射率有關，聲波的反射率大會使得傳播過程中能量損失減少，從而會增大聲音的強度。7哨子的聲響與哨體的結構和尺寸有關，不同結構的哨體，其內部的空氣流動形式會不同也會造成不同的發(fā)生強度，哨口的尺寸大小會影響氣流的反轉形式，會對聲音的頻率和振動造成明顯的影響，所以哨體的結構和尺寸會影響哨子的聲音強度。3問題分析問題1如何設計出一個高強度、高音質的哨子首先要求我們應該努力發(fā)現(xiàn)影響哨子聲響的因素，通過對哨子聲音強度實際情況的分析，我們發(fā)現(xiàn)了許多直接的聯(lián)系：哨子發(fā)出的聲響與氣體的流速，哨子的結構，哨子的材質，聲音的反射率，以及氣流紊亂程度等因素有關。我們通過采用模型法和控制變量法來進行研究，探索各個因素對哨子聲音強度的影響程度。通過控制氣體不同的流速進入哨體，我們通過專業(yè)的聲波接受儀接受哨子發(fā)出的聲波的振動形式，得到了不同氣流速度下的哨體聲波的振動圖像如圖：通過對上圖的分析，我們可以知道聲波的振幅發(fā)生了明顯的變化，氣流速度大的氣體通過哨子后發(fā)出的聲波其振幅較大，氣體流速小的氣體，通過哨子后，聲波的振幅較小。所以，我們可以推知不同的氣流速度會對聲音響度造成顯著的影響。問題2通過對問題1的分析，我們發(fā)現(xiàn)許多因素都能夠影響哨子的聲音強度。哨子的發(fā)生機理是一個復雜的過程，提高哨子的聲音強度也需要一些切實可行的方法，無論采用什么樣的方法解決這個問題，哨子的聲音強度都會受內外因素的影響。我們通過進一步的建立模型來模擬哨子的聲音強度與各因素之間的關系，我們將哨子的氣流速度耦合到能量方程和質量方程中，通過對不同氣流速度造成能量的差異建立起兩者相關的方程，建立起兩者之間定量的關系。通過全方面的綜合分析，我們建立了一個近似的模型來模擬發(fā)現(xiàn)這些因素對哨子聲音強度的影響大小。然后通過我們對這個模型的模擬效果，更加有針對性的去提高哨子發(fā)聲強度。-200 0.1 0.2 0.3 0.4 Q.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1asraasraqCL從上面的圖像我們可以知道不同的氣流速度會造成聲音的能量發(fā)生明顯的變化，氣流速度大的氣體，所傳遞的能量也較大，氣流速度小的氣體，其傳遞的能量也小。而能量的大小又是影響響度的直接因素，能量大的氣體能夠發(fā)出的聲音響度也大，能量小的氣體能夠發(fā)出的聲音響度也小。所以，研究氣體流速對聲音響度的影響有著十分重要的意義。4變量聲明模型參數(shù)v 當?shù)仄骄俣萵 黏性和湍流引起的總摩擦力q 熱流強度

f 單位質量力P 當?shù)氐膲簭奝 當?shù)乜諝饷芏萒 當?shù)氐臏囟萔 給定的時間t內所研究的流體體積S 體積v的曲面vn 法向速度F1 橫截面積A的側面積F2 橫截面積A的側面積R 比內能￡ 單位時間內單位質量流體放出的熱量5解決方案5.1簡單分析1眾所周知，影響哨子聲響的原因有很多，哨子發(fā)出的聲響與氣體的流速，哨子的結構，哨子的材質，聲音的反射率以及氣流紊亂的程度等因素都有密切的關系。哨子的發(fā)生波形如圖，我們可以得知哨子的波形是一些列連續(xù)的正弦波，所以如何增大波形的波峰或波谷成了增大哨子聲響的關鍵。-65015Q200LeakageFactor:97.6%100SamplesTimedomain642D-2-4^■onMCLUJVMainlobewidth0.10742Q0.2 0.4 0.6O.SNDrmalizedFrequency(xxrad/sample)-65015Q200LeakageFactor:97.6%100SamplesTimedomain642D-2-4^■onMCLUJVMainlobewidth0.10742Q0.2 0.4 0.6O.SNDrmalizedFrequency(xxrad/sample)Frequencydomain24Q-2O后巳招n七UBmw-40Relativeskfelobeatt&nuation:OdB2通過對1的分析，我們知道氣流速度是會影響哨子的聲音強度的，通過哨子的不同流速的氣流會直接引起進入哨子的能量不同，不同的能量又會造成發(fā)出的聲音強度有明顯的變化，所以，通過對模擬效果的分析可以推導出不同的氣流速度與聲音強度的關系式。下圖是聲波的頻率與聲音分貝之間的立體模擬圖，通過下圖我們可以分析出，聲音的頻率越大其聲波的分貝也越大，聲音的頻率越小其聲波的分貝也越小，所以，合適的頻率能夠增大聲音的頻率，從而增大聲音的響度。i—WindowViewerTimedomain6S10 12 14 16ISSamplesLeakageFactor:8.56%50522150Frequencydomain0 0.2 0.4 0.6 0.8NormalizedFrequency(xxracVsample)Mainlobewidth0?1l093S40302OTimedomain6S10 12 14 16ISSamplesLeakageFactor:8.56%50522150Frequencydomain0 0.2 0.4 0.6 0.8NormalizedFrequency(xxracVsample)Mainlobewidth0?1l093S40302O￡,巳0Relativesidelobeattenuation:-14.5dB3通過控制變量的方法，控制氣流速度，研究哨子縫隙尺寸的大小對哨子聲音強度的影響，通過實驗研究，保證相同的氣流速度，采用同一材質的哨子，控制哨子有不同尺寸的排氣口，通過分貝測試儀，測定哨子不同縫隙情況下的聲音強度，發(fā)現(xiàn)合適的縫隙大小能夠增強哨子的聲音強度。5.2深入分析1通過對問題及模型的簡單分析，我們組已經(jīng)定性的得出了各要素與聲音強度的影響關系，下面我們細致的推導演算氣體流速對聲音強度的影響公式。根據(jù)質量守恒原理，j-^tdv+jpvds=0根據(jù)質量守恒原理，v sjpvds=-jPvdF+jPvdF+jpvds，于是n Fi* F2X AnvdFvdF+jpvds=0，j^l^^dv+jpvxdF-jPv^dF)]=￡JP、dFPv^dF)]=￡JP、dF，lim[—(jPvdF一jdx—0dxF2且dv=dFdx，推導出，j~i~dF+jPvds+IXjPvdF=0—jPdF+—jPvdF=0Itf lxfx哨子的發(fā)生原理是由氣流紊亂引起的，而氣流紊亂的方程分析與氣體一元流動問題相類似，所以我們借助氣體一元流動的連續(xù)方程來分析哨子發(fā)生過程中的能量變化與守恒，從而分析演算出能量變化對聲音強度的影響。

0Z50201000 40)0 16000125 500 2GG08OCO頻率(H?004ioo86SF哀w<31.52依據(jù)能量守恒邕p(0Z50201000 40)0 16000125 500 2GG08OCO頻率(H?004ioo86SF哀w<31.52依據(jù)能量守恒邕p(日+胃)"+』p(日+三)匕*

vct2 $ 2_Jp("，炒+fTJds+jp(f^)dv+Jqds+jpst/vS S V SV上式改成J?[p(四vctV2 fV. f V2+—)]dv+[Jp(v+—)vxdF—Jp(N+—)vxdF+L p Z 歸， ZI V2'P(四+泰匕妁A 2等式兩邊除以公，取故-0的極限得limJx—>0V2+—)]dv+J2f2V2 fP(!1+—X-^-J2 ' JV2PlP+j)匕亦+J2 AV2P(P+5)匕，s}若哨子側面是自由面，則摩擦力為零，若哨子側面是剛性的，則其上流速為零。根據(jù)上述假設和模擬，我們建立起了法向受力及速度變化與聲音強度的之間的守恒方程。綜上所訴：ffy)ds=0

假設質量力有勢f=V中JpQfv)dF=fP(W)dv=J[V(P^V)-評(pV)]dv由質量守恒連續(xù)方程告+V（pV）=°,故fP(fV)dv=fV(p^V)dv+f^^PdvV V V6t通過討論氣流在哨子里傳播的音速以及吹入哨子的氣流能量，進而得出哨子內部參數(shù)對能量損耗的副作用，從而分析出降低能量損失的最優(yōu)方案.根據(jù)一元氣體連續(xù)性方程、動量方程得出影響音響的各參數(shù)之間的關系。得出如下結論:（1） 音速在一定程度上的影響流體壓縮性的大小；（2） 哨子材料（傳播介質）對能量有直接的影響；（3） 流動氣體的音速是狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)；（4） 在傳播介質保持一致的情況下，音速隨溫度升高而增大。6模態(tài)驗證音的強度是客觀的，決定于單位時間內作用于單位面積上能量的大小，可以用物理儀器（如聲級計）來測量。一定強度的聲波作用于人聽覺器官所引起的一種辨別聲音強弱的感覺稱為響度。響度是主觀的，它不僅決定于聲音的物理強度，而且與聲音的頻率也有一定關系。在強度相等時，1000?4000Hz的聲音人耳聽起來最響。在此范圍之外，隨著頻率的降低或升高，響度愈來愈弱，當降至20Hz以下或升至20kHz以上時，則很難聽到。大體上，聲音增加10dB（聲壓級），其響度約增加1倍。由此可見，人耳主觀響度的感覺并不與聲音所含的能量呈線性關系，聲音能量增加近4倍，主觀感覺響度增加1倍。987655558901211222分貝987655558901211222分貝W日）7模型的應用及結果分析通過對模型的分析以及對原理的演算和解析，我們得出了能夠調高哨子聲音響度各種措施，根據(jù)不同環(huán)境或場所的需要，對哨子的聲音響度會有不同的要求，所以，我們根據(jù)得出的哨子的聲音響度與各要素之間的關系，指導我們根據(jù)自己的需要選擇在自己所要應用的場所選擇響度最高哨子。8優(yōu)點和缺點1根據(jù)我們的定性和定量的分析，以及通過公式的演算和推導，我們清楚的分析出了各個要素對聲音響度的影響，這樣更加清晰、準確的驗證和修正了我們的假設，也幫助我們得出了正確的關系式。通過對其他的直接的影響因素的分析，我們繪出了各要素的變化對聲音響度影響的變化圖像。2雖然我們在分析各要素的變化對聲音響度的影響時已經(jīng)十分全面，但仍有一些因素是我們沒有考慮到的，也有一些要素我們做了近似處理，所以勢必會對結果造成一些誤差，盡管這些誤差是在允許范圍內的，但是畢竟也是與真實的情況有一些差別，所以，我們的模型還存在許多可以改進和提升的地方。9模型的改進我們探索各因素對聲音響度的影響時，沒有將空氣對流場的擾動考慮進去，因為這種擾動是隨機的、不定項的，根據(jù)我們已有的知識無法建立動場與發(fā)生響度之間的方程和受力分析，所以，在接下來的研究與探索中，我們需要通過空氣動力學中的相關知識和假設，將流場的變化耦合到聲音響度與能量變化的方程中。參考資料：附錄：基于上面的模型分析，我們綜合考慮了氣體流速、能量損失、哨口尺寸的最優(yōu)組合，也參考了以前的設計，設計出了聲音最響的哨子，哨子通體呈蝸牛形狀，長8cm，寬6cm，厚3cm，外形有著柔和的曲線，基于到人機工程學，我們充分考慮了手握時的舒適感，外觀曲線設計柔和。哨口采用了圓形設計，有利于使用時接觸更加緊密，減少了吹出氣體的泄露，哨口與哨體有1.8cm距離，這一段距離有利于穩(wěn)定氣流，減少流場的擾動，這樣十分有助于出入的氣體更加穩(wěn)定的從哨口吹出，從而使得發(fā)出的聲音連續(xù)、集中、響亮。哨體內的空間也很充足，這樣可以使更多的氣流進入這樣當氣體從哨口排出時就會有足夠的響度。同時，充足的空間也是穩(wěn)定氣流所必須的，從哨口進入的氣體在這充足的空間里積聚，然后在這空間里穩(wěn)定流場，最大限度的減少了流場的擾動，有助于發(fā)出更加雄渾的聲音，足夠的空間積聚了充足的氣體，這樣就會使進入的氣體減少能量損失，使進入的氣體的能量最大程度的用于哨子發(fā)聲，所以這也是具有最強聲響哨子所必須的。然后是出氣口，經(jīng)過模型2的模擬和驗證，我們得出了當出氣口設計寬度為6mm時，從哨口進入氣流可以穩(wěn)定的被哨體切割，哨子振幅最大，聲音最響。全面考慮氣體流速、能量損失和哨口尺寸后，我們設計出了最響亮的哨子。問題1：哨子的發(fā)生機理是一個復雜的過程，提高哨子的聲音強度也需要一些切實可行的方法，無論采用什么樣的方法解決這個問題，哨子的聲音強度都會受內外因素的影響。我們通過進一步的建立模型來模擬哨子的聲音強度與各因素之間的關系，我們將哨子的氣流速度耦合到能量方程和質量方程中，通過對不同氣流速度造成能量的差異建立起兩者相關的方程，建立起兩者之間定量的關系。通過全方面的綜合分析，我們建立了一個近似的模型來模擬發(fā)現(xiàn)這些因素對哨子聲音強度的影響大小。然后通過我們對這個模型的模擬效果，更加有針對性的去提高哨子發(fā)聲強度。20■2° i i i i i i i i i 0 0.1 0.2 0-3 0-4 0.5 0.60J0.8 0.9 20■2° i i i i i i i i i 0 0.1 0.2 0-3 0-4 0.5 0.60J0.8 0.9 1NormalizedFrequency(\times\pirad/sample)!-20000 0.1 0.2 0.3 0.4 D.5 0.6 0.7 0.8。一9 1NormalizedFrequency(xzrad/sample)從上面的圖像我們可以知道不同的氣流速