聲音共鳴實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

劉潤(rùn)成

（陜西省西安市戶縣電廠中學(xué)，陜西 西安 710302）

聲音的共鳴實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，取兩個(gè)頻率相同的音叉A和B（一般440Hz）分別固定于兩只相同的共鳴箱上，使它們的共鳴箱開(kāi)口相對(duì)并排放在桌面上，用橡皮槌敲擊音叉A，使它振動(dòng)發(fā)聲，然后用手捏住A的叉股，使它停止振動(dòng)，這時(shí)，我們就會(huì)聽(tīng)到音叉B振動(dòng)發(fā)出的聲音.聲音的共鳴實(shí)驗(yàn)音叉B振動(dòng)太微弱，幾乎聽(tīng)不到聲音，實(shí)驗(yàn)效果欠佳.

于是筆者改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)，用計(jì)算機(jī)軟件《虛擬儀器0.94》的信號(hào)發(fā)生器制作440Hz的低音音頻信號(hào)輸送給超重低音音箱，用超重低音有源音箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的聲源音叉A發(fā)出聲音，調(diào)大音箱低音音量可以大幅度提高聲源的能量，實(shí)驗(yàn)效果好.具體做法如下（實(shí)驗(yàn)音叉選取440Hz共振音叉）.

圖1

1 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上下載《虛擬儀器0.94》軟件

《虛擬儀器0.94》軟件目前是免費(fèi)的，你可以隨意復(fù)制傳播，但用于商業(yè)目的請(qǐng)先與作者嚴(yán)宇亮聯(lián)系.＊下載完成后再用軟件winrar將下載的軟件解壓縮到硬盤(pán)D盤(pán)上.《虛擬儀器0.94》軟件是可以解壓縮后不用在計(jì)算機(jī)上安裝，不用注冊(cè)直接運(yùn)行而且沒(méi)有功能限制.

2 用計(jì)算機(jī)軟件《虛擬儀器0.94》制作音頻信號(hào)完成聲音共鳴實(shí)驗(yàn)

（1）組裝實(shí)驗(yàn)器材.

圖2

如圖2所示，將超重低音音箱信號(hào)輸入線的3.5立體聲插頭插入電腦聲卡輸出插口，并且將音箱的電源接通，這時(shí)音箱可以正常播放計(jì)算機(jī)歌曲.將440Hz的音叉的共鳴箱與超重低音音箱口對(duì)口放置使音箱發(fā)出的聲波能量可以盡量被音叉的共鳴箱接收.調(diào)節(jié)音箱音量大小.

為了使眼睛也能清楚地看到音叉因產(chǎn)生共鳴而振動(dòng)的現(xiàn)象，可用較長(zhǎng)的細(xì)線系住乒乓球懸掛在音叉臂旁如圖3.為了增大可見(jiàn)度，乒乓球涂成紅色，細(xì)線為綠色，后面背景可用白色紙板.實(shí)驗(yàn)時(shí)可觀察到乒乓球被音叉臂彈開(kāi)，說(shuō)明音叉發(fā)生了振動(dòng)現(xiàn)象.

（2）啟動(dòng)《虛擬儀器 0.94》軟件.

在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)D盤(pán)上存儲(chǔ)《虛擬儀器0.94》軟件的文件夾下用鼠標(biāo)雙擊執(zhí)行文件，啟動(dòng)《虛擬儀器0.94》軟件，軟件界面如圖4所示.

圖3

圖4

《虛擬儀器0.94》軟件的信號(hào)發(fā)生器需要按下窗口右下角的信號(hào)源按鈕來(lái)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器。這是一個(gè)頻率很準(zhǔn)確的雙路正弦波發(fā)生器，由于采樣的特性所限，高頻部分有所失真，但在50Hz－15 kHz時(shí)波形都相當(dāng)好，輸出幅度可通過(guò)調(diào)節(jié)音量實(shí)現(xiàn)，按下左邊的“L頻率”按鈕可設(shè)置輸出頻率（如圖5）.

（3）用《虛擬儀器0.94》軟件制作所需要的音頻信號(hào)完成以下實(shí)驗(yàn).

圖5

首先用鼠標(biāo)單擊《虛擬儀器0.94》軟件窗口右下角的“信號(hào)源”按鈕，其次單擊“L頻率”按鈕，在彈出的設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入實(shí)驗(yàn)所需音頻信號(hào)的頻率值（如：440、441、439、220、221、219、880等），最后用鼠標(biāo)單擊設(shè)置頻率值對(duì)話框的“OK”按鈕，軟件操作結(jié)束，這時(shí)連接到電腦的超重低音音箱將發(fā)出實(shí)驗(yàn)所需頻率的聲音.

① 在彈出的設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入440Hz音箱頻率與音叉頻率相同，音箱發(fā)出440Hz的聲音，調(diào)節(jié)音箱音量大小，1min后關(guān)閉有源低頻音箱電源，音箱停止發(fā)聲，此時(shí)會(huì)聽(tīng)到音叉發(fā)出的聲音說(shuō)明音叉在振動(dòng)，發(fā)生共振現(xiàn)象.

② 在計(jì)算機(jī)上重復(fù)以上操作，在彈出的設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入339Hz或441Hz，音箱發(fā)出339Hz或441Hz的聲音，調(diào)節(jié)音箱音量到最大音量，1min后關(guān)閉有源低頻音箱電源，不能觀察到音叉的振動(dòng).音箱發(fā)出的聲音頻率與音叉固有頻率不同，則不能觀察到音叉的振動(dòng)現(xiàn)象.

③ 在計(jì)算機(jī)上重復(fù)以上操作，如果在彈出的設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入頻率值為220Hz，音箱發(fā)出220Hz的聲音，則音箱發(fā)出聲音的頻率恰好是音叉固有頻率440Hz的一半，將音箱音量調(diào)至最大值，一分鐘后關(guān)閉有源低頻音箱電源，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)音叉也發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象.音叉的發(fā)出聲音的音調(diào)比音箱高，音叉的振動(dòng)頻率是440Hz.受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)率頻率不相等，等于驅(qū)動(dòng)力頻率的二倍.

音叉振動(dòng)兩個(gè)周期音箱聲波給音叉提供一次驅(qū)動(dòng)力，音叉也可以發(fā)生振動(dòng)，但是音叉振幅比①實(shí)驗(yàn)中音箱發(fā)聲頻率為440Hz時(shí)小.

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)軟件《虛擬儀器0.94》制作出頻率為220Hz的音頻信號(hào)輸送給超重低音音箱，音箱發(fā)聲頻率（220Hz）恰好是音叉固有頻率（440Hz）的一半時(shí)也可以使音叉振動(dòng)，音叉振動(dòng)頻率為440Hz.

筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聲源頻率為音叉固有頻率的一半時(shí)也可以使音叉振動(dòng).音叉振動(dòng)頻率為固有頻率等于聲源頻率的2倍，筆者稱(chēng)這種現(xiàn)象為半頻振動(dòng)現(xiàn)象.

④ 在計(jì)算機(jī)上重復(fù)以上操作，如果在彈出的設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入頻率值為221Hz或219Hz數(shù)值，則不能觀察到音叉振動(dòng)現(xiàn)象.

⑤ 在計(jì)算機(jī)上重復(fù)以上操作，如果在彈出的設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入頻率值為880Hz數(shù)值，則不能觀察到音叉振動(dòng)現(xiàn)象.

驅(qū)動(dòng)力頻率為固有頻率的兩倍時(shí)，音叉的每一個(gè)固有周期內(nèi)音箱發(fā)出的聲波給音叉提供兩次驅(qū)動(dòng)力，這兩次驅(qū)動(dòng)力的作用互相抵消.

關(guān)閉《虛擬儀器0.94》軟件，結(jié)束聲音共鳴實(shí)驗(yàn).

1 楊向陽(yáng).聲音共鳴演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，1994（4）.

2 姜鳳旭，周發(fā)明.錄音機(jī)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的若干應(yīng)用.物理教學(xué)探討，2004（4）.

3 王志年.用單只共鳴箱做聲音的共鳴實(shí)驗(yàn).物理教師，2003（3）.

4 王桂生.聲音共鳴實(shí)驗(yàn)小改進(jìn).中學(xué)物理教學(xué)參考，1999（5）.

5 唐廣.聲音共鳴實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).物理教學(xué)探討，2003（3）.

6 馮爾理.基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).黑龍江科技信息，2010（33）.

7 呂紅英，吳先球，劉朝輝，陳俊芳.LabVIEW環(huán)境下基于聲卡的虛擬示波器軟件設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007（3）.