1、目錄:1背景：哨子在生活和生產中已經有了廣泛的應用，哨子是能夠發出聲音的裝置，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出求救的信 號。所以具有高音質的哨子往往在生產和生活中能夠發揮巨大的作用。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

2、氣的音色、音質造成不同程度的影響，不同流速的空氣會發出不同的聲響。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

3、造成不同的發生強度， 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現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，我們發現了許多直接的聯系：哨子發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，我們通過專業的聲波接受儀接受哨子發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

4、：J 三ESI5.33&63 11E62卩卿F(0 J luriUh « I；ni'i - II i-:通過對上圖的分析，我們可以知道聲波的振幅發生了明顯的變化，氣流速度大的氣體通過哨子后發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，我們發現許多因素都能夠影響哨子的聲音強度。哨子的發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

5、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現這些因素對哨子 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聲強度。Normalized Frequency (-.iimesKpi rad/sampie)|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

6、夠發出的聲音響度也大，能量小的氣體能夠發出的聲音響度也小。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v當地平均速度n黏性和湍流引起的總摩擦力q熱流強度f單位質量力P當地的壓強當地空氣密度T當地的溫度V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F 1橫截面積A的側面積F 2橫截面積A的側面積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。哨子的發生波形如圖，我們可以得知哨子的波形是一些列連續的正弦波

7、，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。Tir do ma in-0yPHMe-交1lf»Ssrr¥l«cFraqueric de rm in-401"J""IQ?CMQ6制 DEi*d Frequency (巧 rad/Mnp|»)-丘popnl!呂 EWLeakage Factcr: 97.6 %ReLrthra sidelobe attenuaten. 0 dBMahlOi>e wdtb (-M3V0J107422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

8、接引起進入哨子的能量不同，不同的能量又會造成發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。Tmc domain24 E 31012 U 1615Leikacehactcr S3 w5 o-T5 oeprlj-dlduvFrequency dcmari/.o20tr匸 £一 cnu 工10N<irrrnli7efJ Frufluonry

9、x?Mainaoewdth（-MS）. <u oyReatr/e iidetooe arerwaxri： -Hi dti3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，發現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。根據質量守恒原理,pVndSVndSSFiVxdFVxdFA Vn

10、dS，于是dvV t等式兩邊除以dx，取dx1 lim( dx 0 dx且dv dFdx，推導出，F2vxdFvndsF20的極限,VxdFFivxdF）VxdF，fFVndSVxdFdFfVxdF0t F哨子的發生原理是由氣流紊亂引起的，似，所以我們借助氣體一元流動的連續方程來分析哨子發生過程中的能量變化與守恒, 分析演算出能量變化對聲音強度的影響。x而氣流紊亂的方程分析與氣體一元流動問題相類 從而2依據能量守恒2訓dv2V)vnds上式改成等式兩邊除以s (nV)ds2VT)dV Fdx，取 dxlim (dx 0dx v t2V)dv2nVds(fV)dvqndssdv)vxdF20的極

11、限得F2Fi2V )vxdF22V)Vnds22V )vxdF2Fi2V)vxdF22V()vnds22dF 二2V)vxdF2若哨子側面是剛性的,則其上流速為零。根據上若哨子側面是自由面，則摩擦力為零，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：A( nV)ds 0假設質量力有勢 f(fV)dF(Vv )dvV【(V)(V)dv由質量守恒連續方程(V)0，故V （fV）dV V （ V）dV V dV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 子內部參數對能量損耗的副作用，從而分析出降低能量損失的最優方案根據一 元氣體連續性方程

12、、動量方程得出影響音響的各參數之間的關系。 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參數的函數；（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，10004000Hz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

13、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。分貝頻奉（垃）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，根據不同環境或場所的需要，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優點和缺點1根據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

14、 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，根據我們已有的知識無法建立動場與

15、發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定氣流， 減少流場的擾動， 這樣十分有助于 出入的氣體更

16、加穩定的從哨口吹出， 從而使得發出的聲音連續、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 間里穩定流場， 最大限度的減少了流場的擾動， 有助于發出更加雄渾的聲音， 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定的被哨體切割， 哨子

17、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現這些 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

18、性的去 提高哨子發聲強度。00.10 20 3040 50 6070 80.9Normalized Frequency (-.timespi rad/sample)|o o o O2 1mp) Hpwugw-20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出的聲音響度也大， 能量小的氣體能夠發出 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。問題2通過對哨子聲音強度實際情況的分析，我們發現有許多因素可以影響哨子的聲音 強度：哨子發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。 但是哨口的尺寸對聲音強度的影響更加明顯，所以，我們對哨口尺寸對聲音強度的影響作了合適的模型模擬，并且作了進一步的深入研究。我們通過采用模型法和控制變量法來進行研究，探索哨口尺寸對哨子聲音強度的影響程度。通過控制使哨體進入相同的氣體量，然后通過專業的聲波接受儀接受哨子發出的聲波的振動形式，得到了不同哨口尺寸下的哨體聲波的振動圖像如圖：通過分