基于非線性振動研究低音現象

2020-06-11 07:18:48劉鴻業王曉杰李文華陳宗強

物理實驗 2020年5期

關鍵詞：振動實驗

劉鴻業，王曉杰，李文華，陳宗強

(南開大學物理科學學院，天津 300071)

低音現象為第32屆IYPT的第3題[1]：讓音叉或簡易的振子對著紙振動，兩者有輕微接觸，產生聲音的頻率比原來的頻率更低. 本文采用音叉與紙張系統發生非線性振動的觀點，通過建立模型，預測產生低音的頻率條件，并通過實驗驗證.

1 理論分析

1.1 紙張受力分析

圖1為題中所述的音叉與紙張系統示意圖. 在本系統中，以紙張為參考對象，紙張與音叉之間的空氣層提供作用力. 在振動過程中，考慮到音叉的振動頻率很高而且振幅較小，可以認為空氣經歷了絕熱壓縮的過程，空氣層的壓強p滿足：

p[(L+Δz)S]α=p0(LS)α，

(1)

其中，L為音叉靜止時紙張與音叉之間空氣層的厚度，Δz為音叉振動的微小位移，S為紙張與音叉的正對面積，α=1.4為空氣絕熱系數，p0為大氣壓強. 因此，空氣層提供的作用力為

F=(p-p0)S=

(2)

圖1 音叉與紙張系統

1.2 模型建立

1.2.1 非線性振動理論

由式(2)可以看出，空氣層提供的作用力為非線性驅動力，當在系統的受迫振動中加入非簡諧項時，在共振現象中會出現新的特性. 一般物體的受迫非線性振動方程為[2]

(3)

在微擾理論中，通常會假設如下關系[2]：

x=x(1)+x(2)+x(3)+…,
ω′=ω+ω(1)+ω(2)+ω(3)+…,

(4)

其中x(k+1)?x(k),ω(k+1)?ω(k).

這樣導致得出的共振頻率與普通的彈簧振子的共振頻率不同[3].

由上述討論，確定各力的作用來源：以紙張為振動對象，空氣提供非線性力，音叉提供驅動力.

為了簡化問題的計算，取式(3)中非線性恢復力的前兩階，得到：

(5)

其中，αx2+βx3為空氣提供的非線性恢復力.

當外力頻率滿足：γ=2ω+ε(其中，ω為共振頻率，ε為一小量)時，在一階近似中有：

(6)

對于二階近似解，保留共振項，有

α[x(2)]2+β[x(2)]3=0,

(7)

利用余弦函數積化和的形式，可以求出解為

(8)

由式(8)可以看出，紙張的振動頻率中有1/2外力頻率項，即低音現象.

當外力頻率γ=3ω+ε時，在一階近似解中有

(9)

對于二階近似解，由余弦函數倍角公式解得：

(10)

可得紙張振動的頻率可以為外力頻率的1/3.

進一步，當外力頻率滿足γ=pω+ε時，其中p為倍頻關系的比例系數且為正整數，產生低音的頻率f′為外力頻率γ的1/p，即

(11)

1.2.2 關于低音頻的進一步預測

考慮到音叉的本質為棒振動，對于棒振動來說，在1次振動后，波傳遞到邊界并被反射，形成第2次振動. 振動再次被邊界反射，形成第3次振動……并一直持續下去. 對于第q次振動，其振動頻率滿足：

(12)

其中，l為棒的長度，c為棒的縱向振動傳播速度. (12)式表示“駐波”形式的振動過程，q=1時為基波，q>1為q次諧波.

音叉在振動時由于存在高次諧波振動，會產生泛音，即會產生滿足基頻整數倍的高音頻[4]. 通常，泛音頻率fq滿足[5-6]：

fq=qf1,

(13)

其中，f1為音叉自由振動時的基頻. 根據式(11)和(13)，當驅動紙張振動的外力為音叉高階的振動時，即γ=fq時，紙張產生的低音的頻率滿足：

(14)

其中，p和q為正整數并且滿足p>q.

隨著近似階數的增加，紙張的振幅迅速減小，以至于觀察到只有p和q值都較小的情況[2].

2 實驗驗證

2.1 實驗儀器

實驗裝置如圖2所示. 音叉垂直固定，5個音叉頻率分別為128，256，440，512，1 024 Hz. 紙張為A4紙裁剪而成，尺寸為7.0 cm×15.0 cm. 錄音設備為錄音筆，采樣范圍為20～50 000 Hz.

圖2 實驗裝置

2.2 實驗結果與分析

首先測量無紙張接觸時音叉的振動頻率作為空白對照，然后讓紙輕微接觸音叉，測量有低音時的頻率. 最后利用空白對照來進行降噪處理，使用Matlab進行快速傅里葉變換處理采集到的數據[7]. 低音現象是持續的過程[8]，利用快速傅里葉變換導出聲強-頻率圖只能導出特定采樣頻率時的分布圖. 因此只能展示出某時刻的頻率分布，這樣就不能觀察到全部的低音峰[9].

以512 Hz的音叉的低音峰為例，結果如圖3所示. 紙張未與音叉接觸時，采集到聲音為音叉自由振動的基頻，如圖3(a)所示，中心頻率f1約為512 Hz. 當紙張與音叉輕微接觸后，除音叉基頻外，還出現低音振動峰，如圖3(b)所示，其中心頻率為f′≈256 Hz,為基頻的1/2，即半頻低音.