基于物理建模和频谱分析的发声机制研究
本项目旨在利用物理学中对驻波管的理解，以及信号分析学中对滤波器的理解和频谱分析的方法，研究生理学的发声过程。将主要对声道的滤波过程建立物理模型，并自主搭建实验系统，通过实验验证模型，同时运用数值模拟、结合实验结论对模型进行优化。从多学科的视角综合研究语音信号如何产生，揭示发声的基本原理。成果可指导日常声学训练与对声道疾病的诊断，也可作为实践型教学材料。
欢迎页
时间轴
每一周的工作记录需包括：
- 1.由前一周组会讨论出的本周工作计划
- 2.本周组会进行的工作总结与成果
可以记录的内容包括：
- 读文献的笔记、课题讨论要点；
- 下一步的研究设想和响应的准备工作；
- 希望能及时上传实验记录和数据分析；
- 及时分析总计，并规划和准备下一步工作很重要。
第一周至第三周
Background Research
第三周至第九周
预实验
第十周
搭建正式实验装置
五月~六月
共振管装置改进
TODOlist
| 问题类别 | 待办 | 计划 | check | |
|---|---|---|---|---|
| 需要改进的问题 | ||||
| 麦克风的固定杆抖动 | 改进调平/加软支撑 | |||
| 改进调平 | 重新打印校准器滑槽，水平仪/小激光器 | |||
| 音箱漏音 | 密封泥/密封环/垫片 | 已购买 | ||
| 管壁漏音 | ||||
| 需要反射率较大的界面 | ||||
| 侦听 | 可侦听麦克风/重新接线 | 已购买 | ||
| 麦克风接线 | 咪头、耳机母头、长接线 | 已购买 | ||
| 实验平台改进 | 珍珠棉板切割，木制底板，铝槽切割，钢尺等 | |||
| 需要研究/排除的可能影响 | ||||
| 麦克风引入的反射截面对小直径管的边界条件 | ||||
| 校准架的反射截面 | ||||
| 测量位置是否偏离中轴 | ||||
| 音箱的处界面 | ||||
| 管口边缘效应 |
日志
6/28
无关变量实验
实验1
内容：比较外径为55mm，内径为18与51mm管内振幅场不同
实验参数：管长均为32cm。激发为1000hz正弦波，电脑、音箱输出音量100%，振幅-40dB.移动速度1000
测量方法：移动测量
测量参数：移动速度：
实验2
管壁厚度（漏音）
实验3
y方向
内容：1.取在中轴线附近的3个y位置（高度）与x位置（左右），移动测量驻波场
2.使麦克风沿对角方向移动，观察不对称的驻波
实验参数：管长均为32cm。激发为1000Hz正弦波，电脑、音箱输出音量100%，振幅-30dB
测量方法：移动测量
测量参数：移动速度：1000
实验4
音箱后面的界面
内容:连续测量音箱加盖与拿去盖子过程中波腹位置振幅变化
实验参数：管长为32cm，外径55mm内径18mm。激发为1000Hz正弦波，电脑、音箱输出音量100%，振幅-30dB
测量方法：固定测量
实验5
麦克风的反射面
内容:分别用小麦克风和小麦克风+大麦克风（不收音），移动测量后壁管和薄壁管内声场
实验参数：管长为32cm，外径55mm内径18mm，与外径55mm内径51mm。激发为1000Hz正弦波，电脑、音箱输出音量100%，振幅-40dB
测量方法：移动测量
测量参数：移动速度：1000
！发现16000HZ频率成分
随麦克风到电机距离衰减，具有方向性
6/29
初步定量实验
补测实验1
麦克风反射面
内容:分别用小麦克风和小麦克风+大麦克风（不收音），移动测量后壁管和薄壁管内声场
实验参数：管长为32cm，外径55mm内径18mm。激发为1000Hz正弦波，电脑、音箱输出音量100%，振幅-40dB
测量方法：移动测量
测量参数：移动速度：1000
补测实验2
大小管内驻波现象对比
实验1
不同管长的驻波
内容：1.移动测量。通过末端波形估算共振频率范围
2.保持其他实验条件相同，选取某一固定位置（末端），扫频测量
实验2
界面性质是否随管长、频率改变，这种改变可否忽略
内容：1.比较末端界面的反射相位。用同一频率激发不同长度的管，比较波腹、波节位置
2.比较反射系数
今日结论 1.驻波波长 2、界面性质演示
7/5
演示的实验
声驻波管的模态频率测量
各模态下的驻波场分布
边界条件对驻波场的影响
串讲思路
实验目的：探究驻波管内声强分布
实验：移动扫描管内声场（共振频率下）
讲解：驻波的定义（通常的行波是振荡的传播，频率相等的行波叠加得到不传播的振动）
实验（或海报展示）：移动扫描管内声场（非共振频率下）
讲解：这是因为 假设1：反射率和频率有关 假设2：多次反射/两个边界条件，类比滤波。
那么它的滤波特性是什么样的呢？
引入概念：模态:将某个共振频率下声波在驻波管内形成的驻波场称为该驻波管的一个模态，因此也将共振频率称为模态频率。
实验：开口扫频实验
讲解：实验用到一个频率随时间均匀变化的声信号，可以看到，当信号在特定频率时被加强，这个频率就是模态频率
是什么影响了模态频率？
实验（或海报展示）：不同管长不同的共振频率
实验：不同界面不同的共振频率
演示实验参数
实验一：驻波现象
speed2000 jbl30 振幅-40dB 频率1016 管长32cm 开口 小内径
7/16
试图复刻文献实验，观察管口修正
文献：comsol仿真在声波谐振管实验中的应用.pdf
音箱距离管口1cm斜放，在双开口、音箱加金属片、末端加金属片、双头加金属片的实验条件下扫频测共振频率
其中双开口和理论符合很好，其他尚未验证
8/6
回来啦，锵锵~
发票待报销
下一步计划
关于驻波管的几个possible话题
1、开口管的管口修正
（有点复刻模拟结果的感觉）
2、运用声压图像测材料声阻抗
（缺理论）
（也可以带一下音箱处的边界条件是什么）
3、模拟探究管内产生近似平面声场的条件
4、扫频曲线的进一步探究
（不同频率峰值的宽高影响因素之类的）
（可能·需要可填充不同介质的驻波管）
5、非线性现象
8/8
确定下一步：用我们的装置测量一块材料的法向入射吸声系数
方法1：驻波比法
原理:
文献：机械阻抗结构的低频吸声性能研究_周海川.pdf19到21页
笔记：驻波比法笔记.pdf
方法2：传递函数法
原理:
文献:基于传递函数法的阻抗管吸声系数测量系统研究_朱有剑.pdf
问题：
1、反射相位如何测得
2、理想的实验条件
3、吸声系数和材料声阻抗的关系
8/10
PASCO 声波学共振管：http://www.anpico.com/ProductDetails_755.html
完善下实验出发点：
观察到现象：开口不是声压的波腹，加钢片后界面不是声压的波腹
可能原因：由于开口一端存在不完全反射，波会溢出端口，则需要对端口波腹位置进行修正，修正值依赖于管的直接、声波的波长及开管端口周围可能存在的反射介质等。
于是，我们将尝试测量界面的反射率（&反射相位）
演示实验
讲稿
新的讲稿
这是我们的多模态声驻波演示仪
仪器的优点：
说到声驻波管，我们常想到很长（1m多）的管子，但我们用32cm的管就可以清晰的展示驻波现象
扫频实验:
大物课上已经学习过如何计算简单边界条件下的共振频率，但由于很难确驻波管两端的实际边界条件，需要实测它的模态频率
于是我们扫频进行测量
（演示）
图上这些峰值的频率就模态频率
（海报：模态频率测得值）
扫场实验
下面以1016Hz的模态频率为声源，扫场演示驻波管模态
（演示时插播：我们同步外放了麦克风录到的声音，可以视听结合）
（演示时插播：我们用了非常小的驻极体麦克风，可以入管扫场且几乎不影响管内声场分布，而且指向性很好，不易受环境噪音干扰）
（演示）
通过改变频率可以得到不同的模态，如1453Hz
（演示时插播：可以看到驻波波节的位置很清晰，这是因为管的内径相对音箱很小，不用超声波就可以形成较理想的理想平面声场。于是可以读取驻波波长以测量声速，实现了以可听频率下的声速量。）
（海报：不同模态的声速测量结果）
界面实验：
我们的仪器除了演示多模态的驻波、测声速，还可以展示反射面的影响。可以看到现在开口处是声压的波节，发生了半波损失。那其他界面会有什么不同呢？
（演示）（用塑料块封口）
塑料反射面处是波腹，声压没有发生半波损失
我们可能会认为根据光学的知识认为塑料相对空气是波疏介质，会发生半波损失
这展示了物质对电磁波与机械波响应的不同
总结：
我们的优点：1.精巧便携
2、多模态，实现可听范围内的声速测量
3、反射界面
version2
老师们好~这是我们制作的多模态声驻波演示仪。说到声驻波管，我们往往会想到很长的管子，但我们用的是32cm有机玻璃管就能获得明显的驻波现象
对此，首先需要确定驻波管的共振频率。设置音响驱动频率匀速变化，进行扫频测量。
可以看到，扫频曲线上有多个极大值，它们所对应的频率就是共振频率。
接着，我们选取其中1016Hz作为驱动频率，扫场以演示驻波管的模态。
：我们同步外放声音，视听结合
再选取1453Hz，扫场，得到另一模态。
：我们用了直径非常小的麦克风，几乎不会影响管内声场分布
：管内径较小，不用超声波就可以形成能量较为集中的平面声场，能实现（在可听频率范围内）驻波干涉法测量声速。
可以看到，末端开口处为声压的波节，对应的是振幅的波腹，符合自由端的边界条件。
我们再在末端添加金属界面，此时模态会有什么不同呢？
首先，它的共振频率将会改变；其次，可以发现，界面处靠近声压的波腹，对应的是振幅的波节，接近固定端的边界条件。
我们的装置小巧且功能丰富 2、视听结合演示多模态驻波 3、可听频率范围内的声速测量 4、不同材料的声波反射性质 5、更复杂驻波管（变截面）
实验参数
扫频实验
麦克风位置：伸入管子5mm
扫频范围：200Hz到3000Hz
振幅：-30
扫场实验
声源时长：15.5s
振幅：-35
spd:2000
delay:5s
海报内容
32cm开口管模态频率测得值
不同模态的声速测量结果
附录Q&A
Q：模态是什么，为什么要观察模态？
Q:扫频结果与理论是否符合
A：与用两边波节的边界条件计算的理论值对比，可以看到理论与实验都是某个基频的倍频，但基频值差别较大。这也正说明了驻波管边界条件的复杂性
Q:为什么扫频位置选择在管口处？
A:界面性质使得管口处具有驻波相位不随波长变化的边界条件，也就是声强被等比缩小or放大。其他位置不同的波长取不同的相位
Q:为什么开口管看上去类似自由端，对声压却是波节？
用线性波动方程与简谐波描述声波时，行波的速度（位移）与声压存在90°的相位差。在驻波的情况中，声压波节处实际上是速度/位移的波腹。当声波由空气传播到塑料等较硬的介质时，可以想象一个质点被两根弹簧连接，软弹簧对应空气，硬弹簧对应塑料，质点受硬弹簧的限制振幅较小。
资料汇总
已有的结果
ppt等
开题背景3.7.pptx语音-朱彦达.pptx
原子物理分享期末pre.pptx
演示实验结课pre期末pre_2_.pptx
演示实验大会分享演示实验大会--多模态声驻波场的探究_1_.pptx
问题汇总
2023/7
1、扫频曲线峰值的高低宽窄由什么决定
2、音箱处的边界条件是什么
参考comsol中的法向位移/速度/加速度/位移？
3、近似平面声场的条件
来自文献：当 D＜＜λ 时，管内只存在沿管长方向传播的平面波
声波共振管教学实验中的问题探讨_弓文平.pdf
来自文献：基于传递函数法的阻抗管吸声系数测量系统研究_朱有剑.pdf
2023/8
1、反射相位如何测得
2、驻波比法理想的实验条件
3、吸声系数和材料声阻抗的关系
进度计划
讨论区
欢迎留言