目 录 一 实 验 名 称... 3 二 实 验 目 的... 3 三 实 验 人 员... 3 四 实 验 仪 器... 3 五 实 验 设 计... 3 ( 一 ) 方 法 设 计... 3 ( 二 ) 变 量 设 定... 4 ( 三 ) 噪 音 变 量... 5 ( 四 ) 分 组 设 计.

探 究 影 响 肥 皂 泡 大 小 的 因 素 实 验 设 计 课 程 大 作 业 报 告 第 七 组 廖 晨 喻 文 竹 应 宁 康 吴 天 颖 杨 欢 欢 / 3

目 录 一 实 验 名 称... 3 二 实 验 目 的... 3 三 实 验 人 员... 3 四 实 验 仪 器... 3 五 实 验 设 计... 3 ( 一 ) 方 法 设 计... 3 ( 二 ) 变 量 设 定... 4 ( 三 ) 噪 音 变 量... 5 ( 四 ) 分 组 设 计... 5 六 实 验 流 程... 6 七 数 据 分 析 与 讨 论... 6 ( 一 ) 系 统 设 计... 6 ( 二 ) 参 数 设 计... 8 A. 平 均 时 间 分 析... 8 B. 信 噪 比 分 析... C. 变 异 性 分 析...3 ( 三 ) 容 差 设 计...6 八 结 论 与 讨 论...6 九 鸣 谢...6 十 参 考 文 献...7 十 一 附 录...8 ( 一 ) 实 验 数 据...8 ( 二 ) 实 验 照 片...9 / 3

探 究 影 响 肥 皂 泡 大 小 的 因 素 的 实 验 报 告 书 暨 实 验 设 计 课 程 大 作 业 报 告 廖 晨 喻 文 竹 应 宁 康 吴 天 颖 杨 欢 欢 一 实 验 名 称 探 究 影 响 肥 皂 泡 大 小 的 因 素 的 试 验 二 实 验 目 的 研 究 肥 皂 泡 的 大 小 与 肥 皂 水 溶 液 类 型 ( 洗 洁 精 洗 手 液 洗 发 水 肥 皂 粉 ) 溶 液 温 度 ( 高 低 ) 溶 质 类 型 ( 蒸 馏 水 醋 水 茶 水 糖 水 ) 溶 质 浓 度 (: :) 有 无 胶 水 和 放 置 时 间 等 因 素 的 关 系 探 究 哪 些 因 素 的 变 化 会 显 著 影 响 肥 皂 泡 的 大 小 为 制 作 最 大 的 肥 皂 泡 所 需 的 各 因 素 参 数 值 在 环 境 风 速 和 肥 皂 泡 机 风 速 等 干 扰 因 素 变 化 时, 最 佳 的 肥 皂 泡 配 置 方 案 三 实 验 人 员 清 华 大 学 工 业 工 程 系 实 验 设 计 课 程 第 7 小 组 : 廖 晨 喻 文 竹 应 宁 康 吴 天 颖 杨 欢 欢 四 实 验 仪 器 向 化 学 实 验 室 借 : 量 筒 *4 大 烧 杯 * 小 烧 杯 * 试 管 *6 铁 架 台 酒 精 灯 向 物 理 实 验 室 借 : 恒 压 源 (0~V) 导 线 焊 烙 铁 实 验 场 地 自 己 准 备 : 溶 质 ( 洗 洁 精 洗 手 液 洗 发 水 皂 粉 ) 溶 剂 ( 蒸 馏 水 食 醋 白 砂 糖 茶 叶 ) 胶 水 标 准 量 具 ( 勺 子 ) 计 时 器 ( 秒 表 ) 肥 皂 泡 机 电 风 扇 五 实 验 设 计 ( 一 ) 方 法 设 计 由 于 实 验 目 的 是 研 究 肥 皂 泡 的 大 小 与 肥 皂 水 溶 液 类 型 溶 液 温 度 溶 质 类 型 溶 质 浓 度 有 无 胶 水 等 因 素 的 关 系, 我 们 采 用 了 田 口 方 法 (Taguchi) 进 行 实 验 设 计 DOE 实 验 设 计 中 的 田 口 方 法 是 一 种 统 计 方 法, 利 用 该 方 法 可 以 简 化 或 是 删 除 许 多 统 计 设 计 工 作 在 生 产 领 域, 田 口 方 法 是 一 种 低 成 本 高 效 益 的 质 量 工 程 方 法, 它 强 调 产 品 质 量 的 3 / 3

提 高 不 是 通 过 检 验, 而 是 通 过 设 计 其 基 本 思 想 是 把 产 品 的 稳 健 性 设 计 到 产 品 和 制 造 过 程 中, 通 过 控 制 源 头 质 量 来 抵 御 大 量 的 下 游 生 产 或 顾 客 使 用 中 的 噪 声 或 不 可 控 因 素 的 干 扰, 这 些 因 素 包 括 环 境 湿 度 材 料 老 化 制 造 误 差 零 件 间 的 波 动 等 等 田 口 方 法 不 仅 提 倡 充 分 利 用 廉 价 的 元 件 来 设 计 和 制 造 出 高 品 质 的 产 品, 而 且 使 用 先 进 的 试 验 技 术 来 降 低 设 计 试 验 费 用, 这 也 正 是 田 口 方 法 对 传 统 思 想 的 革 命 性 改 变. 为 企 业 增 加 效 益 指 出 了 一 个 新 方 向 田 口 方 法 的 目 的 在 于 使 所 设 计 的 产 品 质 量 稳 定 波 动 性 小, 使 生 产 过 程 对 各 种 噪 声 不 敏 感 在 产 品 设 计 过 程 中, 利 用 质 量 成 本 效 益 的 函 数 关 系, 在 低 成 本 的 条 件 下 开 发 出 高 质 量 的 产 品 产 品 开 发 的 效 益 可 用 企 业 内 部 效 益 和 社 会 损 失 来 衡 量 企 业 内 部 效 益 体 现 在 功 能 相 同 条 件 下 的 低 成 本, 社 会 效 益 则 以 产 品 进 人 消 费 领 域 后 给 人 们 带 来 的 影 响 作 为 衡 量 指 标 假 如, 由 于 一 个 产 品 功 能 波 动 偏 离 了 理 想 目 标, 给 社 会 带 来 了 损 失, 我 们 就 认 为 它 的 稳 健 性 设 计 不 好, 而 田 口 式 的 稳 健 性 设 计 恰 能 在 降 低 成 本 减 少 产 品 波 动 上 发 挥 作 用. 在 本 试 验 中, 为 了 控 制 响 应 变 量 ( 肥 皂 泡 的 大 小 ), 我 们 使 用 了 两 个 四 水 平 和 四 个 两 水 平 的 控 制 变 量 因 子 ( 二 ) 变 量 设 定 响 应 变 量 : 表 格 响 应 变 量 设 定 响 应 变 量 ( 单 位 ) 正 常 操 作 水 平 与 范 围 测 量 精 度 ( 测 量 方 法 ) 与 实 验 目 的 的 关 系 泡 泡 大 小 ( 在 吹 风 口 风 速 恒 定 的 情 况 下, 吹 出 泡 泡 的 时 间 ), 秒 控 制 变 量 : < 秒 ~5 秒 0.0 秒, 用 秒 表 测 量 时 间 表 格 控 制 变 量 设 定 吹 出 泡 泡 所 经 历 的 时 间 越 长 说 明 泡 泡 越 大 泡 泡 越 大 越 好 控 制 变 量 ( 单 位 ) 正 常 水 平 与 可 操 作 范 围 测 量 精 度 与 方 法 推 荐 试 验 设 置 对 响 应 变 量 的 预 期 效 果 四 水 平 溶 质 种 类 洗 洁 精 洗 手 液 肥 皂 粉 洗 发 液 按 属 性 区 别 洗 洁 精 洗 手 液 肥 皂 粉 洗 发 液 洗 洁 精 洗 手 液 和 洗 发 水 的 泡 泡 较 大, 肥 皂 的 泡 泡 较 小 溶 剂 种 类 蒸 馏 水 醋 水 茶 水 糖 水 按 属 性 区 别 蒸 馏 水 醋 水 茶 水 糖 水 醋 水 茶 水 糖 水 的 泡 泡 较 大, 蒸 馏 水 的 泡 泡 相 比 较 小 4 / 3

两 水 平 溶 液 浓 度 溶 质 : 溶 剂 =3:~:3 用 量 筒 测 出 溶 质 及 溶 剂 体 积, 勾 兑 而 成 高 (:) 低 (:) 应 在 高 水 平 的 时 候 吹 出 的 泡 泡 更 大 溶 液 温 度 0 ~99 0. 用 温 度 计 测 量 溶 液 温 度 40 0 应 该 略 有 差 别, 常 温 溶 液 的 泡 泡 应 更 大 有 无 胶 水 有 / 无 胶 水 按 照 存 在 与 否 区 分 有 胶 水 ( 一 勺 ) 无 胶 水 有 胶 水 的 泡 泡 较 大 持 续 时 间 更 久 溶 液 配 置 完 成 后 放 置 的 时 间 0~+ 小 时 second 使 用 手 表 计 时 0 小 时 小 时 预 测 是 随 着 时 间 增 长, 泡 泡 水 的 效 果 逐 渐 变 差 ( 三 ) 噪 音 变 量 在 实 际 情 况 中, 肥 皂 泡 的 大 小 和 很 多 其 他 环 境 因 素 有 关 例 如 肥 皂 泡 机 中 电 池 的 电 量 会 影 响 出 风 口 的 速 度 环 境 中 的 自 然 风 会 影 响 肥 皂 泡 的 形 成 和 维 持, 故 在 实 验 中, 需 将 噪 声 变 量 纳 入 考 虑 范 围 本 实 验 中 噪 声 为 环 境 中 的 风 速 和 肥 皂 泡 机 出 风 口 的 风 速 环 境 中 风 速 采 用 外 置 风 扇 定 档 吹 风 模 拟, 肥 皂 泡 机 出 风 速 采 用 将 肥 皂 泡 机 与 外 置 恒 压 源 连 接 通 过 改 变 恒 压 源 输 出 电 压 控 制 出 风 速 度 ( 四 ) 分 组 设 计 利 用 Minitab 软 件, 我 们 生 成 了 田 口 设 计 实 验 设 计 表 格, 在 加 入 对 噪 声 变 量 的 控 制 后, 最 终 的 实 验 表 格 绘 制 于 下 表 格 3 实 验 设 计 用 表 环 境 风 速 高 高 低 低 肥 皂 泡 机 风 速 高 低 高 低 次 数 A B C D E F 洗 洁 精 蒸 馏 水 : 40 度 有 胶 水 0 小 时 洗 洁 精 醋 水 : 40 度 有 胶 水 小 时 3 洗 洁 精 茶 水 : 0 度 无 胶 水 0 小 时 4 洗 洁 精 糖 水 : 0 度 无 胶 水 小 时 5 洗 手 液 蒸 馏 水 : 0 度 无 胶 水 0 小 时 6 洗 手 液 醋 水 : 0 度 无 胶 水 小 时 Minitab 6 Statistical Software 5 / 3

环 境 风 速 高 高 低 低 肥 皂 泡 机 风 速 高 低 高 低 次 数 A B C D E F 7 洗 手 液 茶 水 : 40 度 有 胶 水 0 小 时 8 洗 手 液 糖 水 : 40 度 有 胶 水 小 时 9 洗 发 液 蒸 馏 水 : 40 度 无 胶 水 小 时 0 洗 发 液 醋 水 : 40 度 无 胶 水 0 小 时 洗 发 液 茶 水 : 0 度 有 胶 水 小 时 洗 发 液 糖 水 : 0 度 有 胶 水 0 小 时 3 肥 皂 粉 蒸 馏 水 : 0 度 有 胶 水 小 时 4 肥 皂 粉 醋 水 : 0 度 有 胶 水 0 小 时 5 肥 皂 粉 茶 水 : 40 度 无 胶 水 小 时 6 肥 皂 粉 糖 水 : 40 度 无 胶 水 0 小 时 六 实 验 流 程 为 了 收 集 到 更 好 的 数 据, 我 们 一 共 做 了 两 次 肥 皂 泡 实 验 第 一 次 预 实 验 于 0 年 4 月 7 日 进 行, 实 验 地 点 为 清 华 大 学 逸 夫 图 书 馆 四 层 研 讨 小 间 实 验 前 组 员 们 准 备 了 齐 全 的 实 验 设 备 和 实 验 材 料 实 验 共 收 集 了 64 组 数 据, 通 过 对 数 据 的 简 单 分 析, 我 们 发 现 了 实 验 中 一 些 较 为 难 控 制 的 变 量 ( 如 肥 皂 泡 机 的 吹 风 速 度 等 ), 并 针 对 每 个 问 题 提 出 了 响 应 的 解 决 方 案 ( 如 使 用 恒 压 源 调 控 供 电 电 压 以 控 制 出 风 速 度 等 ) 详 细 的 预 实 验 总 结 详 见 附 录 ( 三 ) 预 实 验 分 析 报 告 第 二 次 实 验 于 0 年 5 月 3 日 进 行, 实 验 地 点 为 清 华 大 学 第 六 教 室 楼 物 理 实 验 室 本 次 实 验 前, 组 员 们 联 系 了 清 华 大 学 化 学 系 无 机 化 学 实 验 室 的 杨 锦 老 师, 借 了 专 业 的 实 验 器 材 ( 如 试 管 烧 杯 酒 精 灯 等 ), 给 准 确 的 数 据 测 量 和 记 录 提 供 了 有 力 保 障 同 时, 针 对 第 一 次 预 实 验 中 出 现 的 问 题 ( 如 肥 皂 泡 机 的 出 风 速 度 难 以 调 整 ), 组 员 们 向 清 华 大 学 物 理 实 验 室 的 柯 伟 平 老 师 借 来 了 恒 压 源 电 烙 铁 和 导 线 等, 通 过 亲 手 改 装, 打 造 出 可 以 改 变 吹 风 速 度 的 实 验 用 肥 皂 泡 机 七 数 据 分 析 与 讨 论 按 照 Taguchi 设 计 方 法 的 要 求, 对 于 解 决 肥 皂 泡 大 小 的 问 题, 我 们 应 当 依 次 进 行 系 统 设 计 参 数 设 计 以 及 容 差 设 计 ( 一 ) 系 统 设 计 系 统 设 计 是 基 础 设 计, 由 设 计 人 员 专 业 技 术 水 平 决 定 针 对 如 何 才 能 吹 出 更 大 的 泡 泡 这 个 问 题, 传 统 方 法 是 依 靠 人 嘴 来 吹 由 于 人 的 肺 活 量 有 限 ( 对 于 传 统 0 岁 男 孩, 肺 活 量 6 / 3

平 均 值 是 64 毫 升 ), 泡 泡 往 往 因 为 吹 力 不 够 而 破 碎 故 吹 泡 泡 既 是 一 件 技 术 活, 又 是 一 件 体 力 活 随 着 时 代 的 进 步 和 科 技 的 发 展, 肥 皂 泡 机 ( 如 图 ) 正 在 逐 渐 替 代 肥 皂 泡 吹 杆 ( 如 图 ) 走 入 寻 常 百 姓 家 图 片 一 种 肥 皂 泡 机 图 片 传 统 的 吹 泡 泡 的 工 具 肥 皂 泡 机 构 造 十 分 简 单, 主 要 由 电 池 电 动 机 和 吹 嘴 构 成 电 动 机 依 靠 电 池 的 电 力 供 应 运 转, 带 动 肥 皂 泡 机 外 部 的 空 气 进 入 肥 皂 泡 机 内, 并 通 过 吹 嘴 将 空 气 以 近 似 恒 定 的 速 度 吹 出 使 用 者 只 需 要 在 每 次 吹 泡 泡 前 将 吹 嘴 浸 入 肥 皂 泡 液 中, 便 可 扣 动 扳 机 吹 出 很 大 或 一 长 串 的 泡 泡, 十 分 简 单 由 于 泡 泡 机 构 造 相 对 简 单 固 定, 故 能 否 吹 出 大 的 肥 皂 泡, 便 直 接 与 肥 皂 泡 液 的 成 分 有 很 大 关 系, 同 时, 我 们 也 应 当 考 虑 环 境 因 素 对 吹 泡 泡 的 影 响, 设 计 出 对 环 境 资 料 来 自 005 年 全 国 学 生 ( 城 市 ) 体 质 调 研 ( 肺 活 量 ) 平 均 值 报 告, 北 京 市 海 淀 区 学 生 体 质 健 康 网, http://www.hdbjs.com.cn/html/008_06_0/_4746_008_06_0_577.html 7 / 3

均 值 的 均 值 变 化 不 敏 感 的 肥 皂 泡 液 ( 二 ) 参 数 设 计 通 过 田 口 设 计 实 验, 我 们 获 得 了 64 组 数 据 详 细 的 数 据 请 参 考 附 录 ( 一 ) 实 验 数 据 田 口 设 计 的 第 二 步 是 参 数 设 计, 需 要 实 验 者 对 影 响 产 品 输 出 特 性 值 的 各 参 数 项 及 其 水 平 进 行 优 化, 已 达 到 减 少 质 量 损 失 的 目 的 对 于 吹 泡 泡 的 问 题, 我 们 需 要 调 整 并 优 化 溶 质 类 型 溶 剂 类 型 溶 液 浓 度 溶 液 温 度 溶 液 组 成 是 否 包 含 胶 水 溶 液 配 制 时 间 等 因 素, 以 获 取 最 优 的 配 制 最 优 的 配 制 应 使 得 :. 提 高 吹 泡 泡 的 平 均 时 间 ( 进 而 使 得 泡 泡 更 大 );. 减 少 干 扰 因 子 对 吹 泡 泡 的 时 间 的 影 响 ( 提 高 信 噪 比 ); 3. 使 每 次 吹 出 的 泡 泡 的 大 小 相 似 ( 减 少 波 动 ) A. 平 均 时 间 分 析 利 用 Minitab 软 件, 我 们 首 先 绘 制 各 因 子 的 均 值 主 效 应 图 如 下 图 表 所 示, 因 子 A B C D 和 E 对 吹 泡 泡 的 时 间 影 响 较 为 明 显 吹 泡 泡 时 间 的 均 值 主 效 应 图 数 据 均 值 A B C 6 4 3 4 3 4 D E F 6 4 图 表 吹 泡 泡 时 间 的 均 值 主 效 应 图 进 一 步, 通 过 对 均 值 的 模 型 系 数 估 计 和 方 差 分 析, 我 们 发 现 在 置 信 度 水 平 为 0.05 下, 因 子 A B C D 和 E 均 对 结 果 显 著, 而 因 子 F 对 结 果 的 影 响 不 显 著 均 值 的 模 型 系 数 估 计 项 系 数 系 数 标 准 误 T P 常 量.78465 0.00 3.853 0.00 A -0.98949 0.348 -.84 0.066 A 3.30504 0.348 9.493 0.00 A 3-0.4307 0.348 -.36 0.304 8 / 3

B -.00668 0.348 -.89 0.063 B -.0975 0.348-3.5 0.05 B 3.4069 0.348 4.04 0.07 C -0.9544 0.00-4.748 0.08 D 0.7905 0.00 3.935 0.09 E.5048 0.00 7.483 0.005 F -0.05738 0.00-0.85 0.794 D*F 0.38840 0.00.93 0.49 E*F 0.3309 0.00 0.66 0.555 S = 0.804 R-Sq = 98.7% R-Sq( 调 整 ) = 93.4% 均 值 的 方 差 分 析 来 源 自 由 度 Seq SS Adj SS Adj MS F P A 3 6.567 6.567 0.8557 3.6 0.009 B 3 8.79 8.789 6.430 9.66 0.047 C 4.574 4.5745 4.5745.54 0.08 D 0.0 0.03 0.03 5.49 0.09 E 36.0 36.009 36.009 55.99 0.005 F 0.053 0.057 0.057 0.08 0.794 D*F.44.437.437 3.73 0.49 E*F 0.83 0.834 0.834 0.44 0.555 误 差 3.940.9395 0.6465 合 计 5 46.773 Minitab 结 果 均 值 的 模 型 系 数 估 计 及 方 差 分 析 结 果 表 明, 吹 泡 泡 的 平 均 时 间 长 短, 与 溶 质 种 类 溶 剂 种 类 溶 液 浓 度 溶 液 温 度 和 溶 液 中 是 否 包 含 胶 水 有 关, 与 溶 液 配 置 完 成 后 的 静 置 时 间 无 关 这 与 我 们 日 常 的 生 活 常 识 很 符 合 通 常, 合 适 的 配 方 ( 溶 质 种 类 溶 剂 种 类 溶 液 浓 度 溶 液 中 是 否 含 有 胶 水 ) 会 使 得 人 们 在 各 种 环 境 中 都 能 吹 出 相 对 较 大 的 泡 泡 而 先 前 的 实 验 已 证 实, 水 的 表 面 张 力 系 数 与 水 温 间 存 在 线 性 关 系, 故 较 高 的 水 温 泡 泡 较 大 而 静 置 时 间 通 常 不 是 影 响 肥 皂 泡 大 小 的 决 定 因 素, 不 然 在 游 乐 园 中 销 售 泡 泡 机 的 商 贩 不 得 不 现 场 配 制 合 适 的 溶 剂 了 从 Minitab 结 果 中, 我 们 可 以 写 出 该 平 均 值 模 型 如 下 Y = β A A + β A A + β A3 A3 + β B B + β B B + β B3 B3 + β C C + β D D + β E E + ε 其 中, 模 型 中 变 量 的 值 如 下 表 所 示 表 格 4 模 型 变 量 取 值 变 量 A A A A3 B B B B3 C C D D E E 洗 洁 精 0 0 蒸 馏 水 0 0 : 40 度 有 胶 水 取 值 洗 手 液 0 0 醋 水 0 0 : - 0 度 - 无 胶 水 - 洗 发 液 0 0 茶 水 0 0 肥 皂 粉 - - - 糖 水 - - - 为 了 进 一 步 检 验 回 归 模 型 的 信 度, 我 们 绘 制 了 四 合 一 图, 对 的 正 态 性 和 拟 合 9 / 3

频 率 百 分 比 值 的 关 系 和 顺 序 的 关 系 进 行 检 验 通 过 观 察, 我 们 发 现 分 布 基 本 符 合 正 态 性, 模 型 检 验 通 过 99 90 吹 泡 泡 时 间 的 均 值 图 正 态 概 率 图 0.50 0.5 与 拟 合 值 50 0.00 0 -.0-0.5 0.0 0.5.0-0.5-0.50 0.0.5 5.0 拟 合 值 7.5 0.0 直 方 图 与 顺 序 4 0.50 3 0.5 0.00 0-0.6-0.4-0. 0.0 0. 0.4 0.6-0.5-0.50 3 4 5 6 7 8 9 0 观 测 值 顺 序 3 4 5 6 图 表 吹 泡 泡 时 间 的 均 值 图 为 了 提 高 吹 泡 泡 的 平 均 时 间 ( 进 而 使 得 泡 泡 更 大 ), 我 们 需 要 参 考 吹 泡 泡 时 间 的 均 值 响 应 表 ( 如 下 ) 均 值 响 应 表 水 平 A B C D E F.795.7780.830 3.5757 4.888.773 6.0897.6875 3.739.9936.805.840 3.3544 4.96 4 0.8994 3.486 Delta 5.903.504.9088.58 3.0084 0.48 排 秩 3 4 5 6 Minitab 结 果 吹 泡 泡 时 间 的 均 值 响 应 表 从 上 面 的 吹 泡 泡 时 间 的 均 值 响 应 表 中 我 们 可 以 看 出, 为 了 追 求 最 高 的 平 均 时 间, 我 们 应 当 为 各 个 因 子 设 定 如 下 的 选 择 : 表 格 5 推 荐 配 制 表 ( 均 值 ) 因 子 推 荐 水 平 A: 溶 质 种 类 : 洗 手 液 B: 溶 液 种 类 3: 茶 水 C: 溶 液 浓 度 :: D: 溶 液 温 度 :40 度 E: 有 无 胶 水 : 有 胶 水 由 于 因 子 F( 溶 液 配 置 时 间 ) 对 吹 泡 泡 时 间 的 影 响 不 显 著, 因 此 对 于 因 子 F 我 们 可 0 / 3

信 噪 比 的 均 值 以 任 意 指 定 其 水 平 例 如 我 们 设 定 F 为 ( 配 置 后 立 即 使 用 ), 则 我 们 可 以 根 据 以 上 的 因 子 配 制, 得 到 预 测 值 如 下 : 预 测 值 信 噪 比 均 值 标 准 差 Ln(StDev) 7.054.04 6.3355.78758 预 测 的 因 子 水 平 A B C D E F 3 Minitab 结 果 3 最 佳 方 案 预 测 在 使 用 推 荐 配 制 时, 吹 泡 泡 的 平 均 时 间 达 到 了 秒 多, 优 化 非 常 明 显 B. 信 噪 比 分 析 现 实 往 往 没 有 实 验 室 一 样 好 的 环 境 因 此 我 们 需 要 考 虑 噪 声 变 量 对 吹 泡 泡 时 间 的 影 响 同 样, 我 们 使 用 Minitab 绘 制 信 噪 比 的 主 效 应 图 ( 如 下 ) 吹 泡 泡 时 间 的 信 噪 比 主 效 应 图 数 据 均 值 0 A B C 5 0-5 3 4 3 4 0 D E F 5 0-5 信 噪 : 望 大 图 表 3 吹 泡 泡 时 间 的 信 噪 比 主 效 应 图 通 过 观 察 上 图, 我 们 可 以 看 到 因 子 A 和 因 子 E 对 信 噪 比 影 响 较 大 我 们 通 过 信 噪 比 模 型 系 数 估 计 和 方 差 分 析 进 行 检 验 检 验 结 果 如 下 所 示 信 噪 比 的 模 型 系 数 估 计 系 数 标 项 系 数 准 误 T P 常 量 3.3843.04 3.46 0.048 A 0.90.806 0.504 0.649 A 4.9534.806.743 0.07 / 3

频 率 百 分 比 A 3.8476.806.577 0.3 B 0.754.806 0.396 0.78 B -.004.806 -.9 0.30 B 3.4989.806 0.830 0.467 C -.8534.04 -.737 0.07 D 0.49.04 0.06 0.850 E 5.670.04 4.956 0.06 F -.666.04 -.5 0.3 D*F 0.447.04 0.45 0.700 E*F -0.954.04-0.87 0.863 S = 4.70 R-Sq = 95.3% R-Sq( 调 整 ) = 76.5% 信 噪 比 的 方 差 分 析 来 源 自 由 度 Seq SS Adj SS Adj MS F P A 3 437.4 437.4 45.807 8.39 0.057 B 3 30.40 30.403 0.34 0.58 0.666 C 30.7 30.7 30.7 7.49 0.07 D 0.74 0.739 0.739 0.04 0.850 E 47.6 47.59 47.59 4.57 0.06 F 5.67 5.670 5.670.48 0.3 D*F 3.4 3.35 3.35 0.8 0.700 E*F 0.6 0.6 0.6 0.04 0.863 误 差 3 5.7 5.66 7.389 合 计 5 07.58 Minitab 结 果 4 吹 泡 泡 时 间 的 信 噪 比 模 型 系 数 估 计 和 方 差 分 析 99 90 吹 泡 泡 时 间 的 信 噪 比 图 正 态 概 率 图 3.0.5 与 拟 合 值 50 0.0 0 -.5-5.0 -.5 0.0.5 5.0-3.0-0 0 拟 合 值 0 0 4 直 方 图 3.0 与 顺 序 3.5 0.0 -.5 0-3 - - 0 3-3.0 3 4 5 6 7 8 9 0 观 测 值 顺 序 3 4 5 6 图 表 4 吹 泡 泡 时 间 的 信 噪 比 图 从 图 中, 我 们 没 有 观 测 到 异 常 的 同 时 正 态 性 良 好 因 此, 在 置 信 水 平 为 0.05 下, 因 子 A B C D 和 F 对 信 噪 比 的 影 响 均 不 显 著, 因 子 E 对 信 噪 比 的 影 响 显 著 进 / 3

标 准 差 的 均 值 一 步, 我 们 计 算 信 噪 比 响 应 图 ( 如 下 ) 从 图 中, 我 们 确 定 因 子 E( 是 否 有 胶 水 ) 应 该 选 择 水 平 ( 有 胶 水 ) 信 噪 比 响 应 表 望 大 水 平 A B C D E F 4.944 4.0996 0.5308 3.599 8.55.76 8.3376.838 6.377 3.694 -.787 4.6509 3 6.38 4.883 4-5.368 3.3704 Delta 3.6644 3.6994 5.7068 0.497 0.3339.5333 排 秩 4 3 6 5 Minitab 结 果 5 吹 泡 泡 时 间 的 信 噪 比 响 应 表 故 当 我 们 面 对 肥 皂 泡 机 出 风 速 度 变 化 ( 很 有 可 能 是 因 为 电 池 电 量 变 化 ) 或 环 境 风 速 变 化 ( 起 风 ) 时, 可 以 选 择 在 配 置 溶 剂 时 加 入 少 量 胶 水, 抵 抗 外 界 环 境 因 素 对 吹 泡 泡 时 间 的 影 响 C. 变 异 性 分 析 为 了 使 得 每 次 吹 泡 泡 都 能 够 得 到 相 似 大 小 的 泡 泡, 我 们 对 溶 液 的 配 制 进 行 了 变 异 性 分 析 利 用 Minitab, 我 们 绘 制 了 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 主 效 应 图 ( 如 下 ) 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 主 效 应 图 数 据 均 值 A B C 3 0 3 4 3 4 D E F 3 0 图 表 5 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 主 效 应 图 从 上 图 中 我 们 不 难 发 现, 因 素 A 对 标 准 差 的 影 响 较 为 明 显 进 一 步, 我 们 通 过 建 立 标 准 差 模 型 对 系 数 进 行 估 计 和 方 差 分 析 验 证 以 上 假 设 标 准 差 的 模 型 系 数 估 计 项 系 数 系 数 标 准 误 T P 常 量.5876 0.309 8.854 0.003 A -0.78460 0.67-3.46 0.04 3 / 3

A.3099 0.67 0.90 0.00 A 3-0.5783 0.67 -.39 0.0 B -0.787 0.67-3.473 0.040 B -0.433 0.67 -.868 0.59 B 3 0.86654 0.67 3.83 0.03 C -0.48368 0.309-3.696 0.034 D 0.4098 0.309 3.40 0.05 E 0.630 0.309 4.86 0.07 F 0.04057 0.309 0.30 0.777 D*F 0.0879 0.309.595 0.09 E*F 0.04 0.309.560 0.7 S = 0.535 R-Sq = 98.4% R-Sq( 调 整 ) = 9.9% 标 准 差 的 方 差 分 析 来 源 自 由 度 Seq SS Adj SS Adj MS F P A 3 8.8994 8.8994 9.6333 35.5 0.008 B 3 6.675 6.675.47 8. 0.060 C 3.743 3.743 3.743 3.66 0.034 D.704.704.7044 9.86 0.05 E 6.3547 6.3547 6.35474 3.9 0.07 F 0.063 0.063 0.0633 0.0 0.777 D*F 0.6975 0.6975 0.69747.55 0.09 E*F 0.6666 0.6666 0.66663.43 0.7 误 差 3 0.8 0.8 0.7404 合 计 5 50.5847 Minitab 结 果 6 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 的 模 型 系 数 估 计 和 方 差 分 析 从 以 上 Minitab 结 果 中 我 们 可 以 发 现, 当 显 著 水 平 为 0.05 时, 因 子 A C 和 E 对 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 的 影 响 显 著 因 此, 通 过 调 整 因 子 A C 和 E 的 水 平, 可 以 适 当 地 控 制 吹 泡 泡 时 间 的 波 动 4 / 3

频 率 百 分 比 99 90 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 图 正 态 概 率 图 0.4 0. 与 拟 合 值 50 0.0 0-0. -0.50-0.5 0.00 0.5 0.50-0.4 0.0.5 3.0 拟 合 值 4.5 6.0 4 直 方 图 0.4 与 顺 序 3 0. 0.0-0. 0-0.4-0. 0.0 0. 0.4-0.4 3 4 5 6 7 8 9 0 观 测 值 顺 序 3 4 5 6 图 表 6 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 图 从 图 中, 我 们 也 没 发 现 异 常 数 据 因 此, 我 们 可 以 对 控 制 吹 泡 泡 时 间 的 波 动 的 因 子 做 进 一 步 分 析 标 准 差 响 应 表 水 平 A B C D E F 0.374 0.375 0.675.5697.7890.993 3.4687 0.7354.644 0.7478 0.585.8 3 0.6309.053 4 0.63.508 Delta 3.3074.6538 0.9674 0.80.604 0.08 排 秩 4 5 3 6 Minitab 结 果 7 吹 泡 泡 时 间 的 标 准 差 响 应 表 从 标 准 差 响 应 表 中, 我 们 可 以 得 到 因 子 A C 和 E 的 最 佳 水 平 是 : 表 格 6 推 荐 配 制 表 ( 标 准 差 ) 因 子 推 荐 水 平 A: 溶 质 种 类 4: 肥 皂 粉 C: 溶 液 浓 度 :: E: 有 无 胶 水 : 无 胶 水 通 过 比 较 表 格 6 和 表 格 5, 我 们 可 以 发 现, 提 高 吹 泡 泡 时 间 的 长 度 的 配 制 与 减 少 吹 泡 泡 时 间 的 波 动 的 配 制 恰 恰 相 反 但 这 并 不 是 反 映 问 题 的 本 质 原 因 在 于 : 在 实 验 中, 一 些 配 方 ( 如 溶 质 是 肥 皂 粉 ), 泡 泡 非 常 小, 持 续 时 间 非 常 短, 造 成 波 动 很 小, 而 相 对 于 我 们 的 实 验, 大 泡 泡 的 形 成 往 往 会 带 来 变 异 性 ( 波 动 ) 所 以 通 过 实 验 数 据 分 析 得 到 的 减 少 标 准 5 / 3

差 的 推 荐 配 置 表 仅 反 映 了 实 验 数 据 的 一 方 面, 在 实 际 操 作 中 意 义 不 大 ( 三 ) 容 差 设 计 容 差 设 计 是 指 设 计 或 选 择 器 件 合 适 的 公 差 范 围, 使 得 质 量 标 准 得 以 满 足, 同 时 降 低 缺 陷 成 本 的 过 程 然 而, 对 于 吹 泡 泡 来 说, 这 只 是 年 轻 人 喜 闻 乐 见 的 一 种 娱 乐 形 式 而 已, 故 就 其 现 实 意 义 来 讲 意 义 不 大 进 一 步, 由 于 原 材 料 价 格 较 低 ( 洗 手 液 茶 水 胶 水 等 ), 故 对 进 行 容 差 设 计 的 需 求 不 大 故 本 实 验 忽 略 了 容 差 设 计 八 结 论 与 讨 论 通 过 以 上 的 讨 论 和 分 析, 我 们 不 难 得 出 最 终 的 结 论. 溶 质 种 类 溶 液 种 类 溶 液 浓 度 溶 液 温 度 有 无 胶 水 五 个 因 素 会 显 著 影 响 泡 泡 大 小. 当 我 们 希 望 优 化 的 目 标 是 使 吹 出 的 泡 泡 最 大 ( 即 维 持 时 间 最 长 ), 则 应 采 用 以 下 配 置 : 因 子 推 荐 水 平 A: 溶 质 种 类 : 洗 手 液 B: 溶 液 种 类 3: 茶 水 C: 溶 液 浓 度 :: D: 溶 液 温 度 :40 度 E: 有 无 胶 水 : 有 胶 水 F: 配 置 时 间 无 所 谓 3. 同 时, 为 了 避 免 环 境 中 其 它 因 素 对 吹 泡 泡 时 间 的 影 响, 我 们 应 当 在 溶 液 中 加 入 胶 水 ( 即 置 因 子 E 为 水 平 ) 九 鸣 谢 在 此, 特 别 需 要 感 谢 王 凯 波 老 师 和 周 昕 星 助 教 在 实 验 提 案 批 改 过 程 和 实 验 前 给 予 我 们 的 大 力 帮 助 ; 感 谢 化 学 实 验 室 老 师 杨 锦 老 师 提 供 的 实 验 器 材 ; 感 谢 物 理 实 验 室 柯 伟 平 老 师 提 供 的 实 验 器 材 和 场 地 ; 感 谢 宿 文 刘 睿 智 等 同 学 提 供 的 实 验 器 材 6 / 3

十 参 考 文 献 [] 肥 皂 泡. 百 度 百 科, http://baike.baidu.com/view/34686.htm#sub34686, 0.4.3 []DOE/ 田 口 方 法 是 什 麼. 失 行 孤 雁 逆 风 飞, http://zhidao.baidu.com/question/3 358.html? an=0&si=, 0.4.3 [3]Taguchi Design 正 交 设 计. 王 凯 波. 课 件, 0.4.3 7 / 3

十 一 附 录 ( 一 ) 实 验 数 据 0 年 5 月 3 日 实 验 数 据 环 境 风 速 高 高 低 低 肥 皂 泡 机 风 速 高 低 高 低 次 数 A B C D E F 洗 洁 精 蒸 馏 水 : 40 度 有 胶 水 0 小 时.80..88. 洗 洁 精 醋 水 : 40 度 有 胶 水 小 时..33.56.58 3 洗 洁 精 茶 水 : 0 度 无 胶 水 0 小 时 0.79..04.43 4 洗 洁 精 糖 水 : 0 度 无 胶 水 小 时.3.59.55. 5 洗 手 液 蒸 馏 水 : 0 度 无 胶 水 0 小 时 0.84.34 0.89.6 6 洗 手 液 醋 水 : 0 度 无 胶 水 小 时 0.55 0.60 4.08 3.4 7 洗 手 液 茶 水 : 40 度 有 胶 水 0 小 时 4.68 7.46 7.33 7.66 8 洗 手 液 糖 水 : 40 度 有 胶 水 小 时 4.95 7.08 8.6 5.38 9 洗 发 液 蒸 馏 水 : 40 度 无 胶 水 小 时.44.75.0.45 0 洗 发 液 醋 水 : 40 度 无 胶 水 0 小 时.3.78.5.03 洗 发 液 茶 水 : 0 度 有 胶 水 小 时.48.68 4.05 4.67 洗 发 液 糖 水 : 0 度 有 胶 水 0 小 时.0 3.0.9 3.95 3 肥 皂 粉 蒸 馏 水 : 0 度 有 胶 水 小 时.9.37.0.39 4 肥 皂 粉 醋 水 : 0 度 有 胶 水 0 小 时 0.5 0.60 0.78.8 5 肥 皂 粉 茶 水 : 40 度 无 胶 水 小 时 0.34 0.44 0.34 0.49 6 肥 皂 粉 糖 水 : 40 度 无 胶 水 0 小 时 0. 0.9 0.3 0.3 8 / 3

( 二 ) 实 验 照 片 图 片 3 水 浴 保 温 试 剂 图 片 4 实 验 进 行 中 9 / 3

图 片 5 一 个 泡 泡 的 诞 生 图 片 6 按 照 最 佳 配 置 吹 出 的 很 大 的 肥 皂 泡 0 / 3

图 片 7 开 心 的 实 验 者 图 片 8 第 一 次 预 实 验 进 行 中 / 3

图 片 9 专 心 记 录 数 据 图 片 0 各 种 实 验 器 材 实 验 溶 剂 / 3

( 三 ) 预 实 验 总 结 报 告 实 验 总 结 :. 将 洗 衣 粉 换 为 洗 发 水, 因 为 洗 衣 粉 很 难 吹 出 泡 泡, 太 多 的 空 值 使 得 Minitab 无 法 分 析 数 据 ;. 将 肥 皂 尽 量 切 成 沫 状, 以 便 溶 解, 需 要 做 好 事 先 准 备 工 作, 或 者 换 肥 皂 粉 ; 3. 醋 水 茶 水 和 糖 水 事 先 用 大 器 皿 配 好, 方 便 使 用 醋 水 的 量 不 宜 过 大 ; 4. 溶 剂 和 溶 质 的 量 变 大 一 些, 使 相 对 误 差 减 小 ; 5. 温 度 使 用 水 浴 控 制, 高 温 和 低 温, 可 考 虑 水 浴 保 温 ; 6. 使 用 勺 子 舀 胶 水, 标 准 其 用 量 ; 7. 保 留 对 于 配 置 后 静 置 时 间 的 衡 量 和 计 算 ; 8. 借 恒 压 源 以 控 制 风 速 ; 9. 固 体 的 粉 末 定 量 问 题, 应 采 用 过 饱 和 溶 液 配 制 ; 0. 杯 子 的 质 量 问 题, 应 向 化 学 实 验 室 借 试 管 和 烧 杯 3 / 3