利用Ｄｉｓｌａｂ演示聲波干涉實驗

用音叉演示聲波的干涉，是中學物理教學中一個重要的演示實驗。物理教育期刊上還介紹過該實驗的一些改進方案。筆者注意到其中有三種常用的方法：其一是用單獨的音叉演示；其二是用音叉配以共鳴箱演示；第三種方法是用立體聲音響演示。

筆者認為這三種實驗方案都有一些明顯的缺點。第一種方案中是靠音叉的雙臂振動來激發兩列聲波，由于兩個波源相距太近（通常1.5-2.5cm），大大小于音叉產生的聲波波長（1.3-0.64m），因此難以形成強弱相間的聲場分布，產生明顯的干涉現象。第二種方法中，由于音叉有共鳴箱，共鳴箱輻射的聲波具有明顯的方向性，也會影響實驗效果（圖1）。第三種立體音響法要采用較高的正弦音頻，需音響等輔助設備，做實驗時前期準備工作很多。這種方法效果一般，不甚方便。

筆者借助于DISlab實驗系統^［1］，設計了利用DISlab進行聲波干涉實驗的方法，介紹如下：

隨著多媒體技術的發展，現在網絡上已有不少虛擬儀器軟件可以找到，如基于聲卡的虛擬示波器軟件，執行該程序，可以從計算機聲卡上產生頻率、波形可調的聲波，由于該聲音強度可調、不會衰減、波形豐富、操作簡單，可以被我們用來做聲波實驗的聲源。調節時，可分別調整左右聲道的頻率及波形，通過音箱產生同頻率的聲波，聲波強度由音箱調節（如圖2）。

實驗1：聲波的干涉實驗

實驗器材：DISLab實驗系統、微機、音箱

實驗過程：

1、在多媒體計算機上運行虛擬示波器軟件，使用界面當中的X單蹤示波，設置“L頻率”和“R頻率”同為1500赫茲，如圖2所示。此時從計算機音箱上產生了頻率相同的聲波，把它們作為干涉源。

2、把兩只音箱位置移開一段距離，圍繞音箱走動便可明顯地聽到聲音強弱變化的現象。

3、用聲波傳感器采集不同位置的聲波強度，可看到聲波的強弱變化的波形圖。

4、用虛擬示波器做聲源進行聲波波速的測量。

實驗原理為由虛擬示波器軟件在計算機音箱產生同頻率聲波，該聲波在一定范圍內衰減很小，將聲音傳感器置于兩音箱對面，可從DISlab軟件界面上觀察到聲波的波形，由于兩同頻率的聲波將產生干涉現象，因此可將傳感器在音箱對面來回移動，找到聲音強度較小的位置，再移動傳感器找到下一個聲音強度較小的位置，此兩點即為聲波干涉的波節節點，兩點之間的距離為：d=λ/2，根據速度公式有v=λf=2df，由此可求出聲波的傳播速度。

實驗2：聲波干涉現象的實驗探究

實驗器材：DISLab實驗系統、微機、兩個440Hz音叉、一個330Hz音叉、橡皮錘、音箱、光具座

實驗設計：

設置情景如圖1所示，使兩音叉相距20-30cm左右，并同時敲擊兩音叉使其振動，讓學生都來探索聲音是否隨接收位置有強弱變化。再將其中一個音叉換為頻率不同的，然后同時敲擊，讓同學感知聲波是否有強弱變化。

實驗過程：

1、打開數據采集器，接上聲波傳感器，敲擊音叉，讓同學觀察聲波的波形，學習振幅、波長、頻率、波峰、波谷的知識。并用屏幕拷貝軟件將其波形拷貝下來。

2、使兩音叉發生干涉，并移動傳感器的位置，讓學生觀察波形的變化，學生可發現波形的強弱變化，用屏幕拷貝軟件將其波形拷貝下來。

3、復習力的疊加原理，將屏幕拷貝的圖形對比展示出來，總結出規律。

4、再演示波的干涉，過一會學生會發現聲波干涉現象已不能聽到了(發生了衰減)。提出根據速度公式，聲波速度的公式應是什么?從聲波干涉能否求出聲波的速度?(學生討論方案)

5、探討方案的合理性。介紹由于音叉發出的聲波會衰減，不利于測量，使用虛擬示波器軟件控制聲卡，使音箱發出同頻率的聲音改進實驗。

6、將計算機音箱打開，用虛擬示波器軟件調諧左右雙聲道聲音頻率同時為200Hz。

7、打開音箱，將傳感器置于離音箱最近的一個位置，慢慢遠離音響，找到兩波干涉的波節，并計算其聲音強度的平均值如圖3，直到找到強度平均值最接近本底噪聲強度的點如圖4，記錄該點位置。

8、將傳感器遠離該點位置，保持與音箱中點、第一個波節點在一條直線上，慢慢遠離音響，找到相鄰的波節(如圖5)，并計算其聲音強度的平均值，直到找到強度平均值最接近第一波節噪聲強度的點，記錄該點位置。

9、測量兩波節點之間的距離，d=0．873m，經計算可得聲波波速為：

v=λf=2df=349.20m／s。

10、實驗分析：從數據來看，取聲波速度(在空氣中)為340m／s，所測聲波速度為

v=349．20±0．03m／s。

最后，讓學生思考，如何測得更準確?從聲波公式分析、降低頻率，還可以測得更精確。

參考文獻：

［1］李渝翔劉艷春.用DIS進行橡皮筋滯后現象的實驗研究.物理教學探討.2006(7):58~59

(欄目編輯王柏廬)

1 通訊作者:云南師范大學物理與電子信息學院 劉艷春

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文