梁振華
(德清縣第一中學(xué),浙江 湖州313200)
在講解共振現(xiàn)象時(shí),教師經(jīng)常會(huì)提到當(dāng)聲音的頻率和酒杯的固有頻率相等時(shí),會(huì)使酒杯產(chǎn)生共振,從而震碎酒杯,但是沒(méi)有實(shí)驗(yàn)演示,學(xué)生將信將疑.為此,筆者進(jìn)行了多方查找,在互聯(lián)網(wǎng)上有一些歌唱家利用歌聲震碎酒杯的視頻;文獻(xiàn)[1]提出了震碎日光燈管的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),但是原理上并非是聲音和燈管的共振.那么在物理課堂上能不能成功演示因共振而使酒杯破碎的實(shí)驗(yàn)?zāi)??為解決這個(gè)問(wèn)題,筆者進(jìn)行了一些探索.
要使酒杯達(dá)到共振,必須先了解酒杯的固有頻率.敲擊酒杯,利用電腦將酒杯振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音錄制下來(lái),利用音頻處理軟件Cool Edit對(duì)錄制的聲音進(jìn)行頻譜分析.筆者對(duì)3個(gè)不同大小的酒杯進(jìn)行了測(cè)試,部分結(jié)果如圖1所示.
圖1 Cool Edit采集的振動(dòng)酒杯頻譜
觀察頻譜分析的結(jié)果,酒杯發(fā)出的聲音頻率并非是單一頻率,而是具有一系列的頻率的聲音構(gòu)成,其中存在一些主頻率.
聲音震碎酒杯的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程為:使聲音的頻率逐漸變大,當(dāng)聲音的頻率與酒杯振動(dòng)的某個(gè)主頻率相同時(shí),酒杯達(dá)到共振從而破碎.這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程就能反映出共振現(xiàn)象:聲音的頻率與酒杯的固有頻率相差較大時(shí),酒杯振動(dòng)很?。宦曇舻念l率與酒杯的頻率接近時(shí),酒杯的振動(dòng)逐漸劇烈,振動(dòng)最劇烈時(shí),酒杯因共振而破碎.
根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,需要聲源具備頻率連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn).信號(hào)發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)這樣的要求,但是學(xué)校的信號(hào)發(fā)生器都是機(jī)械式調(diào)節(jié),不能實(shí)時(shí)精確顯示頻率.筆者選擇了虛擬音頻發(fā)生器Audio Sweep Gen軟件,大小約為200 k,可在網(wǎng)絡(luò)上搜索下載并且無(wú)需安裝,其運(yùn)行界面如圖2所示.利用Audio Sweep Gen軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)并實(shí)時(shí)顯示.
圖2 運(yùn)行界面
要把酒杯震碎,除了頻率相同達(dá)到共振之外,還要使酒杯振動(dòng)的能量較大,這就要求播放聲音具有較大的響度.筆者采用了2只300 W的音頻功率放大器和300 W的12寸喇叭.12寸的喇叭的頻響范圍為20~2 500 Hz,包含了筆者選擇的酒杯的最低主頻率.
作為課堂演示實(shí)驗(yàn),要具有較好的可見(jiàn)度和趣味性,因此選擇了較大容積的高腳杯來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中筆者選擇了5款不同型號(hào)的酒杯(圖3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的成功與否和酒杯的形狀、厚度有較大的關(guān)系.
圖3 不同型號(hào)的酒杯
把酒杯放置于2個(gè)正對(duì)放置的喇叭中間,并在酒杯中放了1根塑料吸管,便于觀察酒杯的振動(dòng)情況.調(diào)節(jié)聲音的頻率由小到大緩慢增加,不同的酒杯都會(huì)出現(xiàn)在某些頻率范圍內(nèi)振動(dòng)非常劇烈,但有些酒杯沒(méi)有震碎.對(duì)幾個(gè)能被震碎的酒杯進(jìn)行測(cè)量,它們的杯壁最薄處都比較薄,同時(shí)酒杯的開(kāi)口直徑較大.因此在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),要選擇開(kāi)口較大、杯壁較薄,同時(shí)最好能帶一點(diǎn)瑕疵的酒杯.筆者最終選擇的一款酒杯為圖3中的從左到右第3個(gè)杯子,其振動(dòng)時(shí)的頻譜見(jiàn)圖1.酒杯高約為23 cm,杯口直徑約為7.8 cm,其中杯壁最薄處為0.8 mm,同時(shí)也是一款瑕疵品,帶有氣泡.
實(shí)驗(yàn)時(shí),將裝置和酒杯如圖4所示放置,酒杯中放入吸管用以反映酒杯振動(dòng)情況.音頻發(fā)生器Audio SweepGen軟件的設(shè)置:Frequency Range選項(xiàng)設(shè)置為Cuatom;Sweep Speed選項(xiàng)設(shè)置為Slow,時(shí)間設(shè)置為40 s左右;設(shè)置包含酒杯主頻率之一的頻率范圍,例如:圖1中的一個(gè)主頻率為560 Hz,則可設(shè)置為450~700 Hz.
圖4 實(shí)驗(yàn)裝置
在音頻發(fā)生器Audio Sweep Gen軟件中點(diǎn)擊Start開(kāi)始播放聲音,在聲音的音調(diào)升高(即頻率變大)過(guò)程中,酒杯中的吸管振動(dòng)會(huì)慢慢劇烈起來(lái),直到酒杯破裂.使用圖1中的樣品3實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)聲音的頻率約為560 Hz時(shí)酒杯振動(dòng)達(dá)到最大并被震破.由樣品頻譜分析可知,560 Hz為它的主頻率之一,即當(dāng)聲音的頻率為560 Hz時(shí),酒杯達(dá)到共振,酒杯的振動(dòng)最為劇烈而破碎.酒杯震碎的圖片見(jiàn)圖5.
圖5 酒杯震碎圖片
完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中主要在酒杯的選擇上遇到了較大的困難,能否找到一款比較合適的杯子是這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵.同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)還是存在了兩個(gè)缺點(diǎn):一是聲音較響;二是酒杯的使用是一次性的,不能反復(fù)使用.
[1] 丁平財(cái).物理實(shí)驗(yàn)室也可以做“聲音震碎酒杯”的實(shí)驗(yàn)[J].物理教學(xué),2002(8):.
[2] 莫濱.敲擊水杯音調(diào)變化的實(shí)驗(yàn)研究[J].物理實(shí)驗(yàn),2006,26(5):29-31.
[3] 徐忠岳.受迫振動(dòng)與共振實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(7):22-24.
[4] 王浙偉.“受迫振動(dòng)共振”演示實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(10):16-19.