STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

纸质扬声器有多大声?

难度 <! - 6 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件 无。
材料可用性 需要特种电子材料。有关详细信息,请参阅材料列表。
费用 平均值($ 40 – $ 80)
安全 没问题。

摘要

如果您喜欢听音乐和制作工艺品,这对您来说是一个很棒的项目。您将学习如何制作一个功能齐全的扬声器,您可以使用它来聆听真正的音乐……缺纸!在此过程中,您将了解扬声器工作原理背后的科学。扬声器依靠磁铁来创造声音 – 添加更多磁铁会让声音更响亮吗?试试这个项目吧!

此项目与Google的科学期刊应用程序兼容,该应用程序允许您使用智能手机收集数据.

目的

测量磁铁数量如何影响纸质扬声器的响度。

积分

Ben Finio,PhD,Science Buddies

此项目中的扬声器设计灵感来自此页面: http://makezine.com/projects/styrofoam-plate-speaker/

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

菲尼奥,本。”纸质扬声器有多大声?” 科学伙伴,2018年6月30日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p101/physics/paper-speakers-loud。2019年7月6日访问。

APA风格

菲尼奥(2018年6月30日)。纸质演讲者的声音有多大?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p101/physics/paper-speakers-loud


最后编辑日期:2018-06-30

简介

你用什么来听音乐?您是否使用连接到智能手机的耳机,或者连接到立体声的一对扬声器?从最小的一对耳机到最大的家庭影院环绕声系统,大多数扬声器都有一些共同之处。他们依靠磁铁来产生声音。事实上,扬声器实际上有两种不同类型的磁铁。它们具有永久磁铁,或者总是具有磁性的特殊金属,以及电磁铁,或者当交流电流时只有磁性的线圈通过他们。这些术语中有些是新的吗?您可以在科学伙伴电力,磁力和&amp ;;电磁学教程

那么,扬声器如何将存储在您的计算机或流媒体音乐服务中的歌曲转换为您的耳朵可以听到的声音?您的计算机,智能手机或其他音频设备将歌曲文件转换为电子信号。该信号被发送到扬声器中的线圈,其产生磁场。该线圈缠绕在永磁体上,永磁体具有自己的磁场。这两个磁场相互推压,或施加。该力使扬声器锥体振动,并推动扬声器旁边的空气分子。这种振动作为声波在空气中传播,并由您的耳朵探测到。声波具有频率,以赫兹(Hz)测量.”高音调” 声音,如儿童的声音或微小的铃声,频率较高,而”低音” 声音,如成人的声音或低音鼓,频率较低。图1显示了系统的简化图。有关更详细的说明,请参阅参考书目中的HowStuffWorks参考。

扬声器的横截面图 <登记/>图1。扬声器的简化图,包括输入(电信号)和输出(声波)。

有几个因素会影响磁场的强度。线圈中的线圈匝数和流过线圈的电流量会影响临时磁铁的强度。永磁体的尺寸,形状和材料都会影响其强度。在这个项目中,您将使用一堆小型永久磁铁而不是一个大磁铁 – 这将允许您测试不同数量的磁铁。你认为增加更多磁铁会使扬声器响亮吗?

技术说明

为了以科学的方式确定扬声器的音量或”响度” ,您需要测量声压级,其以分贝衡量。从技术上讲,此单位称为dB SPL ,因为”dB” 本身可能具有不同的含义,具体取决于上下文(例如,电信号的强度而不是声波)。然而,在音频项目的背景下,许多来源只是提到”分贝” ,缩写为”dB” ,因此我们将在该项目中使用该惯例。请参阅参考书目中的”物理课堂” 参考,以了解有关用于测量声音的分贝比例的更多信息。

术语和概念

  • 磁铁
  • 永久磁铁
  • 电磁铁
  • 交流电
  • 磁场
  • 扬声器锥
  • 声波
  • 频率
  • 赫兹(赫兹)
  • 声压级
  • 分贝

问题

  • 演讲者是如何工作的?
  • 哪些因素会影响电磁铁的强度?
  • 哪些因素会影响永磁体的强度?
  • 在扬声器上添加更多永久磁铁会让声音更响亮吗?

参考书目


材料和设备

要完成此项目,您需要 Jameco Electronics :

您还需要以下材料:

  • 纸(1张)
  • 剪刀
  • 清除磁带
  • 纸盘;该项目还将与其他材料(塑料或泡沫)和其他形状(如碗或杯)一起使用.
  • 名片(3)
  • 一块纸板,大小与纸盘大小相同(可以是矩形,也可以不是圆形)
  • 小块细砂纸
  • 工艺胶
  • 双面泡棉胶带
  • 可选:用于装饰扬声器的彩色标记或铅笔
  • 实验室笔记本
  • 迷你音频放大器,可从 Amazon.com
  • 用于记录数据的智能手机或平板电脑

     science-journal-app-icon 该项目使用谷歌的科学期刊应用程序,这是一个免费的应用程序,允许您使用手机或平板电脑收集和记录数据。您可以从适用于Android设备的 Google Play (版本4.4或更高版本)或 App Store 适用于iOS设备(iOS 9.3或更高版本)。

    • 手机必须有一个3.5毫米的”耳机” 插孔。
    • 如果您无法使用可以运行Google Science Journal应用程序的智能手机,则可以从 Amazon.com
  • 一种在智能手机或计算机上播放音频的方法。请注意,如果在运行Google Science Journal应用程序时手机无法在后台播放音调,则需要第二部手机或计算机(一部用于播放音调,另一部用于运行Google Science Journal)。有几种不同的方法可以做到这一点:

实验程序

关于钕磁铁的安全注意事项:

  • 小心处理磁铁。钕磁铁(在这个科学项目中使用)被强烈吸引并迅速拼合在一起。保持手指和身体其他部位清洁,避免受到严重挤压.
  • 使磁铁远离电子设备。钕磁铁的强磁场可以擦除信用卡,磁性磁性介质等磁性介质。卡片和录像带。它还可能损坏电视,录像机,电脑显示器和其他CRT显示器等电子设备.
  • 将磁铁远离幼儿和宠物。这些小磁铁会造成窒息危险,如果吞下可导致内部损坏.
  • 避免在心脏起搏器周围使用。钕磁铁的强磁场会扰乱心脏起搏器和类似医疗设备的操作。切勿在使用这些设备的人附近使用钕磁铁.
  • 轻轻地使用磁铁。钕磁铁比其他类型的磁铁更脆,可能会破裂或碎裂。不要试图加工(切割)它们。为减少碎裂的机会,请避免将它们撞在一起。如果您将它们高速咬合在一起,则应佩戴护目镜,因为可能会以高速发射小碎片。不要烧它们;燃烧会产生有毒烟雾.
  • 分离磁铁时请耐心等待。如果需要分离钕磁铁,通常可以通过将末端磁铁从堆叠中滑出来手动分开,一次一个。如果您不能以这种方式将它们分开,请尝试使用桌子或工作台面的边缘。将磁铁放在桌面上,其中一个磁铁悬挂在边缘上。然后,使用您的体重,将一叠磁铁放在桌子上,用手掌向下压在悬挂在边缘上的磁铁上。通过一些工作和练习,您应该能够将磁铁滑开。一旦你将它们分开,就要小心它们不会重新组合在一起,捏住你。
  • 佩戴护目镜。钕磁铁很脆,如果它们一起撞击可能会破裂或破碎,可能会高速发射磁铁碎片。

建造纸质扬声器

  1. 在本节中,您将组装纸质扬声器。图2显示了扬声器组件的”横截面” 。按照组装步骤,请参阅此图。
 纸质扬声器的横截面图。
图2. 纸质扬声器的横截面图。扬声器”锥形” 由纸板制成。该板由两张折叠成”M” 形的名片支撑,这些名片连接在一块纸板上作为底座。一圈线连接到纸盘的下侧。该线圈安装在一堆磁铁周围,磁铁位于纸板底座的顶部。磁铁和线圈没有物理连接在一起;这允许线圈来回移动,产生变成声波的振动。

  1. 可选:在开始之前,您可以使用标记来装饰纸盘的正面,如图3所示。
纸质扬声器的装饰纸板
图3. 装饰纸盘。

  1. 剪下两条纸条,大约与你的磁铁堆叠高度(大约2厘米)一样宽,大约20厘米长,如图4所示。
电磁线圈的纸条
图4. 两条纸条,每条大约2×20厘米。

  1. 将一条纸紧紧地缠绕在磁铁堆上,如图5所示。用一块胶带固定它,使其不会散开。
电磁线圈纸管
图5. 一叠纸缠绕在磁铁堆上。

  1. 将第二条纸包裹在第一条纸上,如图6所示。使用一条胶带固定第二条纸以防止其松散.将两条纸条相互粘贴在一起。
电磁线圈纸管
图6。第二条纸包裹着第一个纸包装和磁铁堆。

  1. 将磁铁和内部纸管从外部纸管中滑出。你现在应该有两个纸管,一个直径稍大的纸管和一堆磁铁,如图7所示。
电磁线圈纸管
图7. 两个纸管旁边的磁铁堆。

  1. 确保磁铁堆叠在较大的管内,两者之间有间隙,如图8所示。您可以丢弃较小的纸管;它只用作制作较大管的垫片,你不需要它来构建扬声器。磁铁需要能够在较大的管内来回滑动而不会接触壁。如果管子太紧,你可能需要将其松开(取下胶带,让它稍微解开,然后重新胶带),或者用较厚的”内” 管作为垫片制作一个新的。
线圈管中的磁铁
图8. 较大纸管内的磁铁。注意磁铁和管子之间的间隙。

  1. 将磁铁放入较大的纸管内。这将有助于管子保持其形状,因此在处理时不会意外挤压它。
  2. 从电磁线轴上拉出约20-30厘米的电线。现在用一小块胶带将磁线连接到纸管上,如图9所示。不要粘贴末端;相反,请确保将20-30厘米的电线悬挂在磁带上。不要切断电线.
在纸管周围缠绕线圈
图9. 将磁铁胶带粘在纸管上。

  1. 单独留下20-30厘米的电线,仔细整齐地将50圈电线仍缠绕在纸管周围的线轴上,如图10所示。确保电线的匝紧相互紧靠对着管子,没有松动和纠结。在进行包装时,将磁铁保持在管内 – 这样可以防止它被压碎。
缠绕纸管的线圈
图10. 绕管缠绕50圈电线。

  1. 完全缠绕线圈以防止其散开,如图11所示。
用线圈固定线圈
图11. 将线圈缠绕在线圈上以固定它。

  1. 切断仍然连接在线轴上的导线末端,使其长度与第一端大约相同,大约20-30厘米,如图12所示。现在从管中取出磁铁。
已完成纸质扬声器线圈
图12. 线圈两端的线圈切割。

  1. 使用一小块细砂纸打磨电线两端的绝缘层,如图13所示。参考Science Buddies 剥线教程,了解如何剥离电磁线的教学视频。
用砂纸剥去电磁线
图13. 用砂纸剥去电磁线。

  1. 将两张名片折叠成”M” 形。如图14所示,当站在他们身边时,名片应该比纸管稍微高一点。这很重要,因此线圈有足够的空间可以上下移动而不会碰到底座您的扬声器(请参阅图2,注意纸管底部与纸板底座之间是否有间隙)。
名片支持纸质扬声器
图14。两张名片折叠成”M” 形,比站在两侧的纸管略高。

  1. 将纸盘倒置,使装饰面朝向工作台面。将纸管和名片粘贴到印版背面,如图15所示。纸管应位于印版的中央,名片应位于印版的两侧。确切的距离无关紧要,只要它们不足以碰到管子即可。在进行下一步之前,请等待胶水完全干燥。
名片和纸管粘在纸盘上
图15. 粘贴在纸盘背面的名片和纸管。

  1. 将名片的自由端粘贴到纸板底座上,如图16所示。将纸管粘到纸板底座上。线圈需要可以自由上下移动,这样扬声器就可以振动。在进行下一步之前,请等待胶水完全干燥。
纸质扬声器的纸板底座
图16. 粘贴在纸板底座上的名片(图片底部)。

  1. 切割一块与您的磁铁大小相同的圆形双面泡棉胶带。用它将磁铁堆叠在名片的中心,如图17所示。
贴在名片上的磁铁堆栈
图17. 使用双面泡棉胶带粘在名片上的磁铁堆栈。

  1. 轻轻地将纸盘和纸板底座相互拉开,远远超过纸管下方的一叠磁铁。将磁铁与纸管内侧对齐,然后让板回落,使线圈围绕磁铁,如图18所示。做将名片粘贴或粘贴到纸板底座;这将允许您轻松移除它以在实验期间更改磁铁的数量。
磁铁与扬声器线圈对齐
图18. 磁铁插入线圈。

  1. 您已完成纸质扬声器的制作。在下一节中,您将把它连接到音频设备和放大器。
用纸盘制作的扬声器
图19。完整的纸质扬声器。

连接音频设备和放大器

  1. 连接智能手机(或用于播放音频的其他设备),放大器和纸质扬声器,如图20-23所示。
    1. 将音频线上的3.5毫米插头插入智能手机的”耳机” 插孔。
    2. 将RCA插头(音频线上的红色和白色插头)插入放大器背面的”输入” 插孔。
    3. 将纸质音箱线圈中的剥线插入放大器背面的”R +” 和”R-” 扬声器端子(您可以使用”L +” 和”L-” 代替,但不要混合使用”L” “和” R”或你的扬声器不起作用)。这些端子下面有小红色和黑色标签。要插入电线,请向下按压卡舌,将电线推入端子的孔中,然后松开卡舌。拉环将弹回并抓住电线,使其不会脱落.
    4. 将12 V适配器的枪管插头插入放大器背面的”DC 12V” 插孔。
    5. 重要:确保放大器上的音量旋钮已关闭(一直向左)。这样可以防止在插上电源时播放任何响亮的声音。
    6. 将12 V适配器的另一端插入墙上插座。
纸质扬声器的导线连接
图20. 智能手机,放大器和扬声器之间所有连接的图表。

智能手机上的3.5mm耳机插孔
图21. 3.5毫米音频线插入智能手机的耳机插孔。

mini audio amplifier connections <登记/>图22. 放大器背面的图片,RCA插头,扬声器线圈线和12 V适配器桶插头全部连接。

纸质扬声器实验设置
图23. 带放大器和智能手机的完整纸质扬声器设置。

测试您的纸质扬声器

  1. 仔细检查以确保放大器的音量完全调低(将音量旋钮一直向左旋转)。
  2. 按下”电源” 按钮打开放大器。
  3. 在智能手机上播放一些音乐。
  4. 慢慢地转动放大器上的音量旋钮,直到听到音乐为止。将音量调节到舒适的水平。您还可以调节放大器上的”低音” 和”高音” 旋钮,以调整音乐的发声方式。低音旋钮将控制较深的声音,高音旋钮将控制较高的声音。
  5. 如果您根本听不到音乐,请仔细检查您是否正确连接了所有连接,如图20所示。确保打磨扬声器中线圈末端的绝缘层,并确保结束这些导线在放大器的扬声器端子中是安全的。如果没有正确地打磨绝缘层,或者导线未固定在端子中,则扬声器将无法正常工作。

收集您的数据

  1. 在实验室笔记本中创建如表1所示的数据表。

音量(dB)
<磁铁 试验1 试验2 试验3 平均值
1
2
3
4
5
6
表1。示例数据表。

  1. 在一个安静的房间里进行实验,那里没有其他噪音源,比如人们说话或交通。
  2. 确保您有办法播放1,000 Hz的测试音。您可以使用在线音频生成器,在手机上搜索音频生成器应用程序,或从这个科学伙伴页面
    1. 注意:你可能想知道”为什么是1000赫兹?” 大多数纸质扬声器在播放此频率的声音时会”很好” ,但如果您愿意,可以使用不同的频率。使用单一测试音的要点是它的音量不会改变,不像歌曲可能有更响亮的部分和更安静的部分。要了解有关纸质发言人如何响应不同频率的详情,请参阅变体部分。
  3. 将手机与纸质扬声器保持固定距离。在整个实验中保持这个距离不变是很重要的,因为当你离源更远时声音会变得更安静(意味着分贝水平会降低)。移动手机会影响您的测量。
  4. 打开Science Journal应用程序并选择声音传感器。要了解如何使用Science Journal应用程序以及如何使用声音传感器,您可以查看此 Science Journal教程页面上的相关教程。
  5. 完全坐在那里,用应用程序读取声音强度。该读数将测量房间中”背景噪音” 的水平。
    1. 手机上的麦克风非常敏感,因此在椅子上坐立不安,搔头或在桌子上敲铅笔等简单操作都会导致读数发生变化。确保你静止不动,消除其他噪音源。
    2. 即使非常安静,读数为零dB。例如,安静的库通常约为30 dB。如果您需要有关分贝秤如何工作的提醒,请参阅参考书目中的物理课堂参考。
    3. 即使您尽力静坐并消除其他噪音源,声音读数仍可能会以几分贝的速度反弹。如果发生这种情况,请记录几秒钟的数据,应用程序将自动计算平均值..
  6. 现在,播放1,000 Hz的音调。显然,你必须移动并制造一些噪音来操作设备 – 这是可以的,只要你在进行声级读数时再次静坐。如果您使用相同的智能手机播放音调并测量声级,请记住移动它;它需要与扬声器保持固定的距离。
  7. 在数据表中,在六行磁铁的行中的”试验1″ 下,以分贝为单位录制声级。同样,如果读数略有波动,请在几秒钟内取平均读数。
  8. 重复步骤6-7两次,总共三次试验,共六个磁铁。
  9. 现在,从磁铁堆中取出一块磁铁。通过抬起纸盘并将带有磁铁的名片滑出来进行操作。磁铁非常坚固,因此您可能需要一名成年人来帮助您将单个磁铁从堆叠顶部滑出。
    1. 注意:当您从堆叠中移除磁铁时,您需要将一块或多块双面泡棉胶带作为”垫片” 添加到磁铁堆的底部,如图24所示(确切地说有多少)碎片取决于胶带的厚度)。这确保磁体保持在线圈中心,其中磁场是最强的。如果你从不添加更多的垫片并且只从堆叠顶部移除磁铁,最终磁铁将靠近线圈的边缘,磁场较弱,这将影响你的结果。
以线圈为中心的磁铁
图24. 当您从堆叠中取出磁铁时,请使用额外的双面泡沫胶带作为垫片,以使剩余的磁铁保持在线圈中心。

  1. 将磁铁重新插入纸质扬声器。
  2. 重复步骤6-10五次(使用五个,四个,三个,两个和一个磁铁)。确保为每个数量的磁铁进行三次试验,并根据需要添加双面泡沫胶带,以保持磁铁在线圈中心。
  3. 对于每个磁铁数量,以分贝计算平均音量,并将此值记录在数据表中。
  4. 分析您的结果。
    1. 制作一个平均体积,以分贝为单位,在y轴上和x轴上的磁铁数量的图表。在图表上包含一条线,以分贝为单位显示背景噪音级别(您在步骤5中记录了此值)。
    2. 体积(以分贝为单位)如何随磁铁数量而变化?
    3. 您的结果是否符合您的预测?

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变体形式

  • 在这个项目中,您通过改变永久磁铁的数量来改变磁场的强度。如果您改变线圈怎么办?如果更改线圈匝数,线圈直径或线圈长度会发生什么?用不同的线圈构建几个不同的扬声器,并用每个扬声器重复实验。结果如何变化?
  • 将其转变为工程设计项目,看看您是否可以设计和构建”最佳” 扬声器。您将如何定义”最佳” 演讲者的标准?音量是否重要,或者您是否也关心音质?例如,什么材料和形状最适合扬声器锥体?塑料杯比纸盘更好吗?如何更改用于支撑结构的材料?还有其他东西比纸板和名片更好吗?