動手玩聲速 番外篇



攝影、撰文/簡志祥




讀完了〈動手量聲速〉,別急著收起裝置,以下有幾種新玩法, 你可以試著玩玩看喔!

首先,你得先準備下面幾種電子元件(每種各準備二個即可):
壓電片
光敏電阻
紅光雷射筆
紅外線接收二極體
紅外線發射LED

如果是要檢測固體傳播的聲音,我們只要把剛剛裝置裡的電容式麥克風換成壓電陶瓷片(簡稱為壓電片)。壓電陶瓷能將電能和機械能互相轉換,如果給它電訊號,它就會產生振動,而振動它,它就會產生電,我們就是用這種特性來測量振動。

圖說:把兩條導線焊在壓電片上面,一條連接中央的壓電陶瓷,一條連接在金屬片,導線的另外一端則是焊上接腳,這樣才能方便連接麵包板或是杜邦端子。

如果你要使用壓電片,那就需要使用電烙鐵了,因為我們要先把兩條導線焊在壓電片上面,一條連接中央的壓電陶瓷,一條連接在金屬片,導線的另外一端則是焊上接腳,這樣才能方便連接麵包板或是杜邦端子。完成了振動感測器之後,就先測量一下桌面的振動吧。

請準備兩組振動感測器,把它們貼在桌面的兩端,然後用Audacity錄下敲擊桌子一邊產生的波形變化,利用前面學到的方法測量兩聲道的時間差。你會發現固體傳播振動的速度要比空氣快多了。你還可以做什麼應用呢?比方說貼在西瓜的兩邊,敲西瓜一下,你就能偵測波在西瓜內部傳播的速度了,再多點研究還能用來研究西瓜的熟度,或是模擬地震波在地球內部傳播的模式喔。

如果我們想測量的是一個物體的移動速度呢?比方說一臺車子,那我們就要使用光感測器去偵測物體是否有通過,例如使用光敏電阻偵測可見光,或是用紅外線接收二極體偵測紅外線,前者的零件比較便宜,但是從偵測到光線到產生反應,要數十毫秒的時間,所以如果要測量比較快速的變化,就選用二極體來偵測吧。

圖說:光敏電阻

光敏電阻是一種照光之後,電阻會降低的電子零件,它的兩隻接腳是不分正負的,隨便怎麼插都行,把它插入杜邦端子線之後,朝向光源處,然後用手在上面揮動,用Audacity錄音之後就會看到波形的變化。

圖說:用光敏電阻偵測日光燈閃爍的頻率

如果你朝向的是日光燈,你就會看到波形變得很特別,放大來看會有規律性的變化,這個就是日光燈閃爍的頻率,測量之後會發現大約是120Hz(這和家用的交流電頻率60Hz有關係)。人眼對於這樣頻率的閃爍其實無法分辨,所以你會覺得燈光都是一直持續亮著,但其實它還是有閃爍的。市面上標榜「不閃爍」的檯燈,是不是真的就不會閃爍呢?你就用這個裝置去檢測一下看看它說的是不是真的吧。

圖說:為了避免光感測器接收到環境的光源,而影響準確度,你可以用熱縮套或是黑色的管子包覆在光感測器的外面

如果要用光感測器來測量速度,還必須要有光源,例如利用LED燈或是雷射光。為了避免光感測器接收到環境的光源,而影響準確度,你可以用熱縮套或是黑色的管子包覆在光感測器的外面。準備兩組光感測器和光源,固定好兩組的距離之後,就能用來測量物體運動的速度了。當有物體通過光感測器時(開始遮光),波形會有明顯改變,離開光感測器的前面時(開始照光),也會有明顯變化。這些都能從Audacity中看出。你再使用前面教的測量方法,就可以算出物體通過的瞬時速度了。

這個裝置還能夠測量出你家的重力加速度喔,但只要一組光感測器,再加上一組單擺就可以。單擺的擺動週期(T)受到繩長(L)和重力加速度(g)影響,它的公式是T=2 πLg,只要用這組裝置計算出擺動週期,還有量出繩長以後,就可以推算出重力加速度值有多少了。

不過上面的公式是小角度單擺的計算公式,最高點到最低點的擺動角度通常要在5度之內。如果你的光感測器是在放在單擺的最低點,那麼單擺擺動一次,就會通過最低點兩次,所以計算時要注意這點。

圖說:左邊是紅外線發射LED,右邊是紅外線接收二極體

這還可以量什麼?你知道家裡電風扇的轉速有多快嗎?我用紅外線的發射與感測裝置來說明怎麼做,紅外線發射LED有兩隻接腳,長的為正極,短的是負極,只要用一個3伏特的鈕扣電池,和一個衣夾就能做好光源的裝置。紅外線接收二極體通常是黑色的,只是接的時候要注意,長的腳要接地,短的腳就接到「左聲道」或是「右聲道」。

圖說:只要用一個紅外線發射LED、一個3伏特的鈕扣電池,和一個衣夾就能做好光源的裝置

測量風扇轉速只要用一組紅外線感測裝置就行了,把紅外線發射裝置放在風扇後面,感測器就放在風扇前面,兩者要放在同一直線上。當風扇轉動時,扇葉會週期性地遮住紅外線,感測器的波形就會有變化,藉此就能測量出扇葉轉動速度。

而如果你要測量轉速的東西是個圓盤,沒有辦法讓光源通過圓盤那該怎麼做?可以改用反射光的方式來測量,把一張鏡面貼紙貼在圓盤上,用雷射光照射鏡面貼紙,然後調整感測器去感應那道反射光。當圓盤旋轉時鏡面貼紙的反射光就會週期性地照在光感測器上,這樣就能用來檢測出圓盤的轉動速度。

從前面的幾個例子說明,你應該知道測量可以用一個感測器(單擺週期、風扇轉速),也可以用兩個感測器(音速、車子移動速度),那麼有沒有用到多個感測器的時機呢?當然有囉,如果你想要測量的是物體運動的過程中,每段距離的瞬時速度,那麼你就需要多個感測器了。

前面說的兩個感測器測量跑步的例子還記得吧?不同聲道的兩個感測器可以測量一段過程的速度。如果有四個感測器,我們不就可以偵測兩段過程裡的速度嗎?例如,感測器分別放在10公分、11公分、20公分、21公分的位置,我們就能藉此算出10~11公分的速度,還有20~21公分的速度。

以此類推,有更多感測器就可以測量出更多過程囉。可是目前我們只有用到兩個感測器,一個在左聲道一個在右聲道,如果我們還想要更多感測器來多段測量的話,那麼該怎麼做呢?

嘿嘿,這就是用這個裝置的好處,看看麵包板的插孔吧,左聲道和右聲道不是還各有三個空的插孔可以用嗎?用這些插孔,你就能把感測器並聯在一起,用兩個以上的感測器進行測量喔。

圖說:透過麵包板的連線,就可以用到一共14組感測器囉

比方使用四個感測器時,可以把兩個放在左聲道,另外兩個在右聲道,或是四個都在左聲道也可以。而且透過麵包板的連線,你要更多感測器也都是可以的,像這樣就可以用到一共14組感測器囉,不過到底什麼實驗需要用到這麼多組感測器啊?接下來靠的就是充滿創意的你,仔細想想還能夠拿來做什麼應用喔!