[论文解读] Simple time-of-flight measurement of the speed of sound using smartphones

Sebastian Staacks, Simon Hütz+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2018

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 12被引用 36

一句话总结

本文提出了一项简单、低成本的实验，使用两部智能手机和免费的phyphox应用程序，通过飞行时间法测量声速。通过在两端以声音事件触发计时器，该方法在5米距离内实现了±30 m/s的精度，为物理背景知识较少的学生提供了可及的、数值化的实验结果。

ABSTRACT

We propose an easy experiment that allows to determine the speed of sound through a simple time-of-flight measurement using two smartphones

研究动机与目标

• 开发一种使用常见智能手机测量声速的可及、低成本实验。
• 克服传统飞行时间方法需要复杂波形分析的局限性。
• 提供直接的数值结果（距离/时间），而无需了解驻波或共振概念。
• 利用智能手机麦克风的高时间分辨率（48 kHz）实现精确计时。
• 使实验对技术背景较弱的学生而言可行且具有吸引力。

提出的方法

• 将两部智能手机相距5米放置，每部手机均运行带有“声学计时器”功能的phyphox应用程序。
• 第一位学生发出响亮的声音（例如拍手）以同时触发两个计时器。
• 第二位学生在延迟时间等于声波传播时间后发出第二个声音，以停止两个计时器。
• 应用程序分别测量每部手机上的时间间隔∆tA和∆tB，其中∆tA比∆tB长出两倍的单程传播时间∆td。
• 声速通过公式v = d / ∆td计算，其中∆td = (∆tA - ∆tB) / 2。
• 调整应用程序中的触发阈值和最小延迟设置，以避免混响或信号持续时间导致的误触发。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于智能手机的飞行时间法是否能提供无需共振或驻波概念的直接、数值化的声速测量？
• RQ2 仅使用音频输入和基本应用程序功能，基于智能手机的飞行时间实验能达到多高的精度？
• RQ3 该实验设置在多大程度上最小化了信号时间延迟和麦克风响应带来的误差？
• RQ4 该方法是否可在无需复杂技术准备和低成本的前提下可靠地在课堂中实施？
• RQ5 智能手机麦克风的时间分辨率（48 kHz）如何影响测量的精度？

主要发现

• 该方法在5米距离内实现了±30 m/s的声速测量不确定度。
• 实验测得的声速为357 m/s，接近标准条件下公认值。
• 使用phyphox应用程序的声学计时器功能可实现直接时间测量，无需波形分析。
• 智能手机麦克风的高采样率（48 kHz）提供了足够的时间分辨率以实现精确计时。
• 该方法在课堂环境中具有鲁棒性和实用性，仅需两部智能手机且无需其他设备。
• 该设置可在支持Android 4.0和iOS 8及以上系统的设备上运行，确保在教育环境中具有广泛的兼容性。