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计算机公告板

使用短波无线电信号校准频率数据采集系统

罗恩埃斯特勒

杜伦戈堡，刘易斯学院化学系，81301; estler_r@fortlewis.edu

由爱达荷州莫达大学Steven D. Gammon大学编辑，编号83844

在许多物理化学实验室实验中，对特定“未知”化学样品的分子观察结果的测量通过将测量结果与已接受的化学样品“标准”的已知特性标准化来确定。 由于难以维护和认证这些校准，因此使用校准的实验室设备更直接地测量物理参数的频率较低。 随着计算机数据采集和操作在教学环境中的越来越多的可用性，这种设备校准本身就代表了宝贵的学生练习。 我们在这里描述一种使用快速傅立叶变换（FFT）技术和国家维护的WWV广播来校准基于计算机的音频频率测量的相对简单的方法。 随着FFT仪器的使用变得更加容易 -

在主要的本科院校中，傅立叶变换技术的基础知识教学已经成为本科环境的挑战。 本期的许多文章都涉及这个课程问题，其中包括有关化学中广泛使用的FFT（1-5）的文章; 其他人已经解决了特定的应用，例如FT-NMR（6-10）; 还有一些展示了几种软件包可以用来辅助FFT指令（11-13）。

实验室例子

通过精确测量球形谐振腔（14）中的声速，或者通过测量球形谐振腔内的声速来确定气体的热容比（= C_P/ C_V在Kundt管中（15）。 传统上，使用连续波（CW）音频源和麦克风来记录在腔内形成驻波图案的那些频率。 FFT技术的使用通过用白噪声发生器取代CW音频源来简化和加速数据收集。 几秒钟的幅度时间数据很容易转换成所需的幅频数据域。 氩通常用于校准谐振腔的物理特性，从而不需要精确校准声频数据采集。 另外，准确的频率校准与谐振腔的精确物理测量相结合可以取代化学标准的标准化。 那么问题就成为如何校准频率数据采集仪器。 虽然在这里不可能解决所有可能的计算机硬件和软件配置，但我们给出一个例子，它提供了一些可以很容易地适应任何特定情况的通用指南。

使用台式电脑进行录音已成为例行公事。 用户通常会提供几种数字化选项，包括数字化速率 - 例如22 kHz。 此速率可能来自内部计算机时钟或外部记录设备上的时钟。 不管时间方法如何，通过记录容易获得的准确音频信号并对这些文件进行傅里叶变换，数字化频率可以被校准用于如上所述的这样的实验。

图1.面板a显示来自WWV的音频音调的大约3秒钟记录。 该信号以标称软件选择的22 kHz数字化速率记录：65536（216）个数据点总数。 面板b和c是在显示1000和600 Hz音调的指定时间记录的该记录的扩展。 面板b中信号的调制是由于传输中此点存在多个频率引起的。 相应的频率幅度谱在面板d中示出，其中在面板e和f中具有扩展。 面板d，e和f代表校准的变换光谱; 也就是说，数字化速率已经被调整，以产生与1000和600Hz音调的最佳匹配。

1244 化学教育。化学教育 bull; 卷。 77 2000年9月9日 bull; JChemEd.chem.wisc.edu

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校准和NIST

美国国家标准与技术研究院（NIST）运营着两个高频（短波）无线电台WWV（Fort Collins，CO）和WWVH（夏威夷考艾岛）。 这两个电台都以2.5,5.0,10和15 MHz的频率广播连续的时间和频率信号。 WWV和WWVH参考了NIST在科罗拉多州Boulder维护的主要原子时间频率标准。 传输的频率精确到1千亿分之一（1times;1011）。 但是，由于各种传播效应，可用接收精度仅为1000万（1times;107）中的一部分。 伴随这些广播的音频音在NIST的网站上有详细描述（http://www.bldrdoc.gov/timefreq/ wwv / wwv.html）并且从这些原子标准派生而来。 它们为校准提供了精确音频的便利主要来源。

例如，图1a显示了在廉价的短波接收器上以5 MHz从WWV接收到的伴音音调的大约3秒。 使用MacRecorder（麦克风硬件外设）以22kHz的软件选择数字化速率将该信号记录在旧型Macintosh SE / 30（内部时钟速度为16 MHz）上，产生65536（216）个数据点总。 图1b和1c是该记录在指定时间的扩展，显示出现的标称1000和600 Hz音调。 对这些信号进行傅立叶变换产生图1d所示的相应的频率幅度谱，其中1e和1f展开。 这些转换使用Igor1，这是一款适用于Macintosh和Windows操作系统的强大的数据分析软件应用程序。 由MacRecorder生成的基于整数的文件由Igor直接打开，修剪为适当的（2n）个数据点，并使用软件中提供的FFT宏进行转换。 窗口化（变迹）数据也很容易在Igor内部探讨，但并未用于此处提供的数据。

图1d-1f表示校准的转换光谱。 假设采样率为22.0000 kHz，原始变换不会产生广播中出现的600和1000 Hz频率信号; 他们观察到频率下降了1.4％。 为了准确地再现这些音调标准，如图所示，数字化的明显时间基础被调整（在转换之前）直到达到匹配。 对于这种硬件配置，校准的数字化速率大约为22.3127 kHz。 一旦确定，这个数字化

速率用于精确确定音频范围内的任何频率。 这种方法的精度当然取决于数据采集的采集参数（例如数字分辨率）以及执行FFT的软件应用中使用的数字精度。 然而，这种方法几乎可以应用于任何允许调整录制音频文件的视在时间尺度（数字化速率）的硬件 - 软件配置。

对于上面讨论的实验而言，针对公认的化学标准的标准化可能会更加直接，但学生应始终提供替代方案，以便对实验进行批判性评估以及与各种方法相关的错误。 此外，这里介绍的另一种方法向学生介绍NIST在科学界的支持作用。

注意

1. Igor是WaveMetrics，Inc.，PO Box 2088，Lake Oswego，OR 97035的产品。

文献被引用

1.伊士曼议员; Kostal，G .; Mayhew，TJ Chem。 EDUC。 1986年，

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2. Glasser，LJ Chem。 EDUC。 1987,64，A228，A230-A233。

3. Glasser，LJ Chem。 EDUC。 1987,64，A260，A262-A266。

4. Glasser，LJ Chem。 EDUC。 1987,64，A306，A308-A313。

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2. King，RW; Williams，KRJ Chem。 EDUC。 1989，66，A213-A219。
3. King，RW; Williams，KRJ Chem。 EDUC。 1989，66，A243-A248。
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5. Williams，KR; King，RWJ Chem。 EDUC。 1990，67，A93-A99。
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13. Bell，HMJ Chem。 EDUC。 1993，70，996-997。

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15.钢铁，C。 Joy，T。 Clune，TJ Chem。 EDUC。 1990，67，883-887。

JChemEd.chem.wisc.edu bull; 卷。 77 2000年9月9日 bull; 化学教育。化学教育 1245

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