Questa è una descrizione di come misurare la velocità del suono nel legno con solo auricolari e un computer senza Lucchi meter.
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Quando si misura 「la velocità del suono(Precisamente, è 「la velocità di trasmissione della vibrazione」, ma per comodità è espressa come la velocità di trasmissione del suono o la velocità del suono.)」, che è una delle caratteristiche dei materiali per violino, viene
generalmente utilizzato un dispositivo chiamato 「Lucchi meter」, ma qui impareremo come misurare la velocità del suono senza un Lucchi meter.
La velocità del suono in un determinato mezzo(legno, ecc.) può essere definita come 「la distanza che il suono percorre per unità di tempo」. Cioè, la velocità può essere ottenuta dividendo la distanza dal punto A al punto B per il tempo impiegato dal suono per viaggiare da A a B.
Lucchi meter, due dispositivi sono posti alle due estremità del legno, un lato genera un’onda di impulso e l’altro dispositivo riceve l’onda di impulso. E la velocità viene calcolata misurando il tempo dalla generazione alla ricezione dell’onda del polso. In poche parole, genera vibrazioni e le riceve per misurare la differenza di tempo. Se comprendi questo principio, puoi misurare la velocità di trasmissione del suono senza un Lucchi meter.
Un altoparlante converte un segnale elettrico in suono (generando vibrazioni) e un microfono converte il suono in un segnale elettrico (ricevendo vibrazioni). Il principio strutturale di questi altoparlanti e microfoni è esattamente lo stesso. Un altoparlante e un microfono hanno una struttura in cui una membrana vibrante a contatto con l’aria, un vibratore attaccato ad essa e un elettromagnete sono attorno ad esso e l’elettromagnete è collegato a un filo elettrico. Un altoparlante funziona nella direzione del filo → elettromagnete → vibratore → una membrana vibrante e un microfono funziona nella direzione opposta. Sebbene i due abbiano usi diversi, il principio è lo stesso, quindi un altoparlante può essere utilizzato come microfono e viceversa. Si può dire che gli auricolari comunemente usati siano altoparlanti molto piccoli. Tuttavia, come descritto sopra, ha lo stesso principio di un microfono, quindi può essere utilizzato anche come microfono (ovviamente le prestazioni come microfono non sono buone). Dopo aver collegato l’auricolare al terminale di ingresso del registratore, se lo avvicini alla bocca e parli, il suono viene registrato così com’è, sebbene sia molto piccolo. Utilizzando questo principio, questo rapporto spiega come misurare e calcolare la velocità del suono utilizzando auricolari e un computer anziché un Lucchi meter.
1. Materiali
• Computer: quelli con un terminale di ingresso Line-in (stereo).
• Programma di editing audio: Sound Forgy (a pagamento), Audacity (gratuito), ecc.
• Auricolare stereo (rimuovere la copertura in gomma sulla parte che tocca l’orecchio)
• Registratore (se il tuo computer non ha un ingresso Line-in) : uno con ingresso Line-in (stereo)
La maggior parte dei computer dispone di un terminale di uscita dell’altoparlante, un terminale di ingresso del microfono e un terminale di ingresso Line-in sul retro. Normalmente, durante la registrazione, un microfono è collegato al terminale di ingresso del microfono, ma poiché tutti i terminali di ingresso del microfono sono canali mono, non può essere utilizzato in questo caso. Tuttavia, il terminale line-in, come il terminale del microfono, è un terminale di ingresso, un canale stereo e corrisponde anche allo standard del jack per auricolari (3,5 mm/3 poli), quindi è un sistema di ingresso ottimizzato per questo scopo. Alcuni laptop non dispongono di una porta di ingresso line-in. In tal caso, è possibile collegare e utilizzare una scheda audio esterna USB dotata di un terminale di ingresso line-in (stereo). Se non è possibile per PC desktop e laptop, utilizzare un registratore dotato di un terminale di ingresso line-in (stereo) dello standard jack per cuffie.
2. Metodo e Procedura di Misurazione
Come mostrato nella figura 1, collegare l’auricolare stereo al terminale di ingresso Line-in di un computer o registratore e attaccare un altoparlante dell’auricolare a un’estremità del legno. (Sinistra, chiamiamo questo 「Canale di ricezione」). Quindi, tocca l’altra estremità del legno con l’altro altoparlante dell’auricolare. (Destra, chiamiamo questo 「Canale di colpo」). Quando questo viene registrato, un’onda di impulso forte verrà registrata sul canale di colpo e un’onda di impulso molto piccola verrà registrata sul canale di ricezione. Hai solo bisogno di trovare la differenza di tempo tra queste due onde di impulso usando un programma di editing del suono. Questa differenza di tempo è il tempo impiegato dalla vibrazione per essere trasmessa da un’estremità all’altra del legno, quindi la velocità può essere ottenuta dividendo la distanza tra i due punti per questo tempo.
2.1. Preferenze
Prima di misurare (registrare), impostare l’ambiente. Più grandi sono i valori sottostanti, meglio è in teoria. Tuttavia, se si tratta di un computer (registratore) a basse prestazioni, è meglio non alzarlo troppo in alto.
• Frequenza di campionamento: 44,1[kHz] o superiore
• Bitrate: 16 bit o superiore
2.2. Registrazione per la Correzione Degli Errori
Se i segnali vengono inviati contemporaneamente ai canali sinistro e destro dell’auricolare, la forma d’onda deve essere registrata contemporaneamente senza differenza di orario. Tuttavia, a seconda della qualità dell’auricolare, potrebbe verificarsi una differenza di orario (errore) molto piccola. Questo errore potrebbe essere un problema con l’auricolare o un problema con il registratore. Qualunque sia il problema, per una misurazione accurata, è necessario controllare in anticipo tali errori e correggerli durante il calcolo. Pertanto, la registrazione per la correzione degli errori viene eseguita prima della misurazione effettiva. (In questa fase viene eseguita solo la registrazione. E l’analisi del valore di errore e la correzione dell’errore vengono eseguite nelle fasi di analisi e calcolo successive.)
1. Collegare gli auricolari stereo al terminale line-in del registratore (o computer) e avviare la registrazione (Se stai registrando con un computer, è conveniente aprire un programma di editing audio per registrare).
2. Tocca leggermente entrambi i lati dell’auricolare due o tre volte. A questo punto, regola correttamente il volume di ingresso e la forza d’urto in modo che non si verifichi il clipping (Clipping: un fenomeno in cui il suono in ingresso è troppo forte e il suono è distorto oltre il limite di ingresso del registratore). - Figure 2 -
2.3. Registrazione effettiva
La velocità del suono viene misurata in due direzioni: 「direzione della fibra」 e 「direzione verticale della fibra」. Anche nella stessa direzione, c’è una differenza a seconda della posizione di misurazione, quindi è necessario selezionare una posizione appropriata. Fare riferimento al capitolo 3 per la posizione della misurazione.
Per aumentare la precisione, misurare più volte e utilizzare il valore medio. Quando colpisci, assicurati di colpire con un’intensità che non causi clipping e regola il volume di registrazione in modo appropriato. Registro colpendo almeno 3 volte in ciascuna posizione e durante l’analisi seleziono 3 forme d’onda appropriate per ciascuna posizione e ottengo la media. - Figure 3 -
1. Fissare il canale di ricezione (sinistra) dell’auricolare a un’estremità del legno.
2. Con l’altra estremità dell’auricolare (canale di colpo, destra), tocca l’estremità opposta del legno e colpiscilo (più volte).
3. Modificare la posizione degli auricolari e ripetere la stessa procedura
2.4. Analisi
Nel file di esempio creato nel passaggio precedente, vengono registrate 3 forme d’onda per la correzione degli errori, 3 forme d’onda nella direzione verticale della fibra e 3 forme d’onda nella direzione della fibra. Innanzitutto, la forma d’onda di correzione dell’errore viene analizzata per confermare l’errore e viene determinato il valore di correzione. Quindi, il valore di correzione viene applicato analizzando l’onda di direzione verticale della fibra basata su di essa.
1. Apri un programma di editing audio sul tuo computer e apri il file che hai registrato sopra. - Figure 4 -
2. La forma d’onda in alto è il canale destro (Canale di colpo) e la forma d’onda in basso è il canale sinistro (Canale di ricezione). La sezione A è una forma d’onda per la correzione degli errori, la sezione B è una forma d’onda 「direzione verticale della fibra」 e la sezione C è una forma d’onda 「direzione della fibra」. La frequenza di campionamento è indicata nella sezione D. (Le posizioni dei canali destro e sinistro (in alto/in basso) e dove viene visualizzata la frequenza di campionamento possono
variare a seconda del programma di editing del suono.)
3. Per verificare l’errore (differenza di tempo) tra i due canali dell’auricolare, allargare il più possibile l’area E registrata fino a quando il punto dati è visibile, e verificare se i picchi della prima onda dei due canali si trovano nella stessa posizione in tempo. - Figure 5,6 -
4. Come mostrato in Figura 6, se i picchi della prima onda dei due canali si trovano nella stessa posizione temporale, non è necessaria alcuna correzione (anche gli altri due vengono analizzati e giudicati come valore medio). Cioè, per entrambi i canali dell’auricolare, il tempo impiegato dal momento in cui l’onda di impulso viene immessa fino a quando non viene effettivamente registrata come file è lo stesso. Tuttavia, se c’è un errore come mostrato in Figura 7, è necessario controllare di quanto è spostato il punto dati. Nel caso della Figura 7, il canale sinistro viene spostato di 2 colonne a destra. Ciò significa che il canale sinistro è stato registrato 2 colonne dopo. Pertanto, in questo caso, questo dovrebbe essere corretto nel passaggio successivo, analisi/calcolo. Qui, poiché la frequenza di campionamento è 44,1 kHz, ci sono 44100 punti di dati in un secondo e quindi una colonna significa 1/44100 di secondo. Pertanto, nel caso della Figura 7, significa che ha un errore di 2 ∗ 1/44100 secondi.
5. Dopo aver confermato l’errore, viene eseguita l’analisi vera e propria. Tuttavia, la dimensione delle forme d’onda dei canali sinistro e destro è quasi la stessa per la forma d’onda di controllo degli errori, quindi è facile controllare i dati. Ma la forma d’onda effettiva che colpisce il legno è difficile da controllare perché la forma d’onda del canale di ricezione (sinistro) è troppo piccola. Osservando la figura 4, è quasi invisibile ad eccezione della forma d’onda di controllo degli errori nel canale di ricezione. Quindi seleziona solo il canale di ricezione e amplifica ulteriormente la forma d’onda finché non puoi vederla. Nel caso dell’esempio, è stato amplificato di circa 30dB. - Figure 8 -
6. Dopo aver sufficientemente amplificato il canale di ricezione, ingrandire lo schermo fino a visualizzare il punto dati della forma d’onda 「direzione verticale della fibra」 (F nella figura 8). Quindi, viene verificato quanto sono distanti nel tempo il primo picco d’onda del canale di colpo (Destra) e il primo picco d’onda del canale di ricezione (Sinistro).- Figure 9, 10 -
7. Come puoi vedere nella Figura 10 , il vertice della prima ondata del canale sinistro è spostato di 「+5 colonne」 a destra. E poiché è stato confermato che non ci sono errori nel passaggio precedente, non è necessaria alcuna correzione. Pertanto, si può vedere che ci è voluto tanto tempo quanto +5 per la trasmissione del suono. Se c’è un errore di 「+2 colonne」 come in Figura 7, puoi correggerlo come +5 − (+2) = +3. Se l’errore è 「−2 colonne」, puoi correggerlo come +5 − (−2) = +7. Controllare il resto delle forme d’onda in questo modo.
2.5. Calcolo
「Velocità = distanza / tempo」, e la lunghezza del legno corrisponde alla distanza, quindi è necessario conoscere la lunghezza del legno per calcolare la velocità. Il legno utilizzato questa volta è largo 236 mm e lungo 465 mm. L’unità di misura della velocità è [m/s], quindi se la si converte in metri, è larghezza: 0,236 [m] e lunghezza: 0,465 [m]. La larghezza può essere utilizzata per calcolare la 「direzione verticale della fibra」 e la lunghezza può essere utilizzata per il calcolo della 「direzione della fibra」.
Il tempo può essere determinato direttamente dal valore misurato sopra. Poiché la frequenza di campionamento è 44,1 kHz, il tempo per una colonna di dati è 1/44100[sec]. Pertanto, il tempo richiesto sopra per 「+5 colonne」 è
Pertanto, ci vogliono circa 0,00011338 [sec] per essere trasmessi nella 「direzione verticale della fibra」, e quindi la velocità del suono è la seguente. (Prestare attenzione alle cifre significative)
Nel caso di 「direzione della fibra」, può essere calcolata come sopra.
3. Determinazione della Posizione di Misura
Poiché la velocità del suono varia a seconda della posizione di misurazione, è molto importante decidere dove misurarla. Per prendere questa decisione, è necessario sapere esattamente qual è lo scopo della misurazione. Lo scopo della misurazione può essere quello di selezionare un materiale da utilizzare per realizzare uno strumento o di determinare da quale parte del materiale selezionato fare uno strumento. Inoltre, potrebbe essere per confermare le caratteristiche dello strumento dopo il completamento. Pertanto, se lo scopo è diverso, è necessario modificare anche la posizione di misurazione. Nel caso di selezione di un materiale o di verifica delle caratteristiche dopo aver completato lo strumento, sarà principalmente richiesto il valore medio dell’intero materiale. Tuttavia, poiché le caratteristiche del centro dello strumento sono più importanti, per il calcolo del valore medio saranno necessari suggerimenti come dare più peso al valore del centro dello strumento. Per determinare quale parte del materiale selezionato utilizzare, sarebbe meglio controllare attentamente il valore di ciascuna parte del materiale per determinare quale parte è di buona qualità e quale parte di scarsa qualità.
4. Precauzioni e considerazioni
Poiché questo rapporto è un esempio, il processo di calcolo della media viene omesso. Quando si controlla l’errore, è necessario misurarlo più volte e utilizzare il valore medio.
Più importante della velocità in bit nell’impostazione dell’ambiente è la frequenza di campionamento. La frequenza di campionamento determina la risoluzione del risultato del calcolo. Nel caso di 44,1[kHz], poiché esistono 44.100 dati entro 1 secondo, il tempo per una colonna di dati è 1/44100 (=0,000022676)[sec]. Se è impostato su 96 [kHz], poiché ci sono 96.000 dati entro 1 secondo, il tempo per una colonna di dati è 1/96000 (=0,000010417) [sec]. Cioè, ha più del doppio della risoluzione di 44,1 [kHz]. Pertanto, maggiore è la frequenza di campionamento, meglio è.
Nel risultato precedente di 「direzione verticale della fibra」, quando la frequenza di campionamento era 44,1 [kHz] e la differenza di tempo era 「+5 colonne」, la velocità era 2081 [m/s]. Se è 「+4 colonne」, diventa 2601, e se è 「+6 colonne」, diventa 1734 [m/s]. In altre parole, si può notare che la differenza di tempo di una colonna di dati provoca una differenza di velocità di circa 450 [m/s].
Quando la frequenza di campionamento è 96 [kHz], si ottiene una differenza di circa 200 [m/s]. (2265 quando è 「+10 colonne」, 2059 quando è 「+11 colonne」, 1888 quando è 「+12 colonne」) Cioè, 44,1 [kHz] ha un intervallo di errore di circa 450 [m/s] e 96 [kHz] ha un intervallo di errore di circa 200 [m/s]. Da questi risultati, si può vedere che la risoluzione di 96 [kHz] non è così alta come previsto. Tuttavia, se si misura più volte in una posizione e si utilizza il valore medio, è possibile aumentare la risoluzione in modo più simile a 「+10,3 colonne」 anziché a 「+10 colonne」, quindi anche l’intervallo di errore può essere ridotto. (Tuttavia, nel caso di un registratore di scarsa qualità, se la frequenza di campionamento viene aumentata eccessivamente, potrebbe verificarsi un errore, quindi è meglio testarlo in anticipo e usarlo.)
Si può dire che il bitrate è un valore di impostazione che seleziona quanto più suddivisa è la dimensione della forma d’onda da registrare con precisione. In generale, 16 bit sono sufficienti, ma in rari casi, ci sono casi in cui due dati con lo stesso valore si trovano consecutivamente vicino al vertice, quindi è difficile determinare quali dati siano il vertice. In tal caso, se viene utilizzata una velocità in bit più elevata, una situazione del genere può essere evitata ed è possibile un’analisi più accurata.
Quando si confrontano le forme d’onda di due canali, la posizione del picco della prima forma d’onda può essere utilizzata come riferimento o la posizione in cui inizia la prima forma d’onda può essere utilizzata come riferimento. Concettualmente, quest’ultimo ha più senso. Tuttavia, in realtà, è molto difficile specificare il momento in cui l’onda inizia e il momento più potente dell’onda avrà l’effetto maggiore sul suono reale. Il motivo per cui la prima forma d’onda viene necessariamente utilizzata al posto della seconda o terza forma d’onda è che potrebbe verificarsi una distorsione dalla seconda forma d’onda a causa dell’interferenza dell’onda. Cioè, non vi è alcuna garanzia che la seconda forma d’onda del canale ricevente dipenda completamente dalla seconda forma d’onda del canale Striking. (Se si confronta l’intervallo tra i picchi della prima onda e l’intervallo tra i picchi della seconda onda , puoi vedere che in realtà c’è una differenza)
Se lo si utilizza per la misurazione senza rimuovere la copertura in gomma sulla parte dell’auricolare che tocca l’orecchio, non può generare un’onda di impulso pulita quando si colpisce, quindi una misurazione corretta è impossibile. Pertanto, con la copertura in gomma rimossa, la parte rigida (plastica o metallica) dell’auricolare deve essere a diretto contatto con il legno.
Se possibile, è meglio misurare il legno appoggiandolo su un oggetto morbido come una spugna o un asciugamano. Se si posiziona un materiale su un oggetto duro come un banco da lavoro e lo si misura, è possibile che le vibrazioni possano essere trasmesse attraverso il banco da lavoro. Questo può essere un problema se la velocità del suono sul banco di lavoro è maggiore della velocità del suono del materiale da misurare. Ma dal momento che non stai colpendo direttamente il banco di lavoro, è improbabile che abbia un impatto reale, ma è bene tenerlo se puoi. (Misurato su un banco da lavoro senza spugna/asciugamano in questo rapporto)
Infine, va ricordato che anche a parità di materiale, lo stato del rettangolo prima dell’operazione e lo stato del legno dopo l’arcata e lo scavo hanno valori diversi. Prima di tale lavoro, il suono (vibrazione) viene trasmesso in linea retta (percorso più breve) dalla posizione di impatto alla posizione di ricezione (direzione della fibra o direzione verticale della fibra), ma quando i lavori di arco e scavo sono completati, viene trasmesso piegandosi lungo la curva d’arco. (la direzione della fibra e la direzione verticale della fibra lavorano insieme)
Penso che ci sia un malinteso sul mio metodo sopra, quindi spiegherò ulteriormente.
Il mio metodo utilizza lo stesso principio del Lucchi meter.
Il Lucchi meter genera un'onda di impulso da un sensore (generatore di impulsi) e l'altro sensore rileva l'onda di impulso per ottenere la differenza di tempo. Quindi, la lunghezza del legno (inserita direttamente nel Lucchi meter) viene divisa per la differenza di tempo sopra per ottenere la velocità. Tutto questo viene eseguito automaticamente su un dispositivo.
Il mio metodo consiste nel generare un'onda di impulso colpendo il legno direttamente con un auricolare economico invece di un costoso generatore di impulsi e utilizzare un auricolare economico invece di un costoso sensore di ricezione. La forma d'onda registrata viene…