音叉負載金屬環對其振動頻率影響的實驗研究＊

李會平 王昆林 沙育年

（楚雄師范學院 云南 楚雄 675000）

音叉振動所發出的聲波是純音，其純音的頻率與叉股的長度、質量有關.一般而言，其音叉的頻率是固定不變的［1］.由于某種實際的需要，要改變音叉的頻率，可在音叉叉股上套上金屬環作為負載.就可改變音叉振動的頻率，負載在叉股上的位置以及音叉單股負載或是雙股負載，對其音叉的振動頻率肯定是有影響的.對其影響的規律性進行探索研究是很有意義的.

1 研究方案設計

引入DIS數字化信息系統進行檢測音叉的空載頻率及負載頻率［2，3］.分別使音叉空載、單股負載、雙股負載、移動負載在叉股上的位置，敲擊音叉，使音叉振動發出聲波.由DIS系統中的聲傳感器采集信號，通過數據采集器，DIS系統處理數據顯示出相關圖形，得到相應的頻率，從而進行相關性探索研究.裝置圖見圖1.

圖1 研究系統結構裝置示意圖

2 音叉空載時的頻率測定

選用一只標稱頻率為440.0Hz的標準音叉，將其固定在音叉共鳴箱上.調整好DIS數字化信息系統，橡皮小錘敲擊音叉叉股，使其振動產生聲波.通過DIS系統可在其電腦屏幕上顯示出穩定的聲波振動圖像［4］.見圖2，此波形圖橫坐標為時間，縱坐標為振動的位移.從圖中可知音叉的振動所產生的聲波為單一頻率的純音，從圖形橫坐標上直接截取讀出3個振動周期的時間間隔

圖2 音叉空載時振動波形圖

則音叉振動周期為

以音叉標稱頻率440.0Hz為最佳近真值，則

3 音叉單叉股負載金屬環頻率變化研究

將質量為9.0g小金屬環套在音叉單叉股上，作為其質量負載.以叉股最下點為起點，向上移動金屬環，每次移動0.5cm，測定出對應的頻率.

研究負載向上移動的距離與音叉振動頻率之間的關系.

其實驗數據見表1.

表1 單叉股負載實驗數據表

為研究的方便將以負載位置為橫坐標，以振動頻率為縱坐標.作出圖線，見圖2，結合數據表進行分析研究.

圖3 負載位置 －頻率變化圖

從數據表和圖線可看出隨著負載位置的上升，音叉的振動的頻率下降，但變化不是均勻的.

當負載位置由零增加到1.5cm，頻率減小的變化不太明顯.由1.5cm增加到6.0cm，頻率減小的變化明顯.由6.0cm增加到9.0cm，頻率減小的變化非常明顯.由于數據采點不是足夠多，數據變動的步長也不可能太小，從而使圖1中的曲線不是太平滑，但是總體的趨勢還是表達清楚了.即隨著負載金屬環向上移動，振動頻率降低，但不是線性變化，當負載金屬環移動到音叉單股的頂端時，其音叉振動頻率是急劇下降的.

4 音叉雙叉股負載金屬環頻率變化研究

4.1 負載金屬環雙環向上同時移動

將兩個質量同為9.0g小金屬環分別套在音叉雙叉股上，作為其質量負載［5］.將兩叉股上的負載金屬環以0.5cm距離為移動步長，同時向上移動，分別測出負載不同位置的音叉振動頻率，其相應實驗數據見表2.

表2 雙叉股負載實驗數據表

依據表2中的數據，做出隨負載位置變化音叉振動相應的頻率圖.見圖4.

圖4 負載雙環上移位置 －頻率變化圖

根據表2數據結合圖4可看出，負載金屬環向上同時移動時，音叉振動頻率隨之衰減.特別是雙環移動到5.5cm位置以上時，音叉振動頻率急劇衰減.

4.2 負載雙金屬環單環移動

將兩個質量同為9.0g小金屬環，一個固定在一支叉股的8.0cm處，另一個金屬環在另一支以0.5cm為移動步長向上移動，測出負載在不同位置相應的音叉振動頻率，其相應的實驗數據，見表3［6］.

表3 雙叉股負載單環移動實驗數據

依據表3中的數據，做出隨負載位置變化音叉振動相應的頻率圖.見圖5.

圖5 負載雙環單環位置 －頻率圖

根據表3數據結合圖5可看出，單叉股金屬環負載固定，另一叉股負載向上移動，其相應音叉振動頻率也是衰減的.但衰減的變化較為均勻，從圖5上可看出，音叉振動頻率的變化無明顯的奇點.而且，整個曲線較為平滑.

5 分析比較

從以上實驗數據和圖像比較可看出，負載雙金屬環單環移動，其音叉的振動頻率變化較為均勻，比較圖3，圖4和圖5可看出，圖5的曲線較為平滑，近似為線性.

6 結束語

由以上研究分析比較可知，對于標準音叉是可以改變其振動頻率的.在音叉叉股上負載金屬環是將標準音叉頻率變小的一種方法，在音叉的兩個叉股上負載金屬環，其中一個負載金屬環固定，另一個金屬環向音叉頂端移動，到不同的位置，相應音叉振動頻率改變近似是均勻平滑的.根據實際情況的需要，可參照此方法進行.

1 易其順，蔣志年，閉劍鋒.利用李薩如圖形測量音叉的頻率.大學物理實驗，2005（4）：36～37

2 李定梅，甘奕文，封玲.基于計算機實測技術的音叉固有頻率測量.物理實驗，2010（11）：44～46

3 侯俊杰，邱泰光，王昆林.基于DIS系統測定自制音叉振動頻率的研究.物理通報，2012（9）：75～77

4 施應恒，王昆林.基于DIS系統對彈簧牽動磁體振動產生電磁感應對應參量研究.大學物理實驗，2013（3）：79

5 陳瑩梅，陸申龍.音叉的共振頻率與雙臂質量的關系研究及其應用.物理實驗，2006（7）：6～9

6 周麗，蔣亞玲.用計算機研究音叉共振頻率和雙臂質量的關系.大學物理實驗，2007（3）：78～81