聲音共鳴實驗的再改進

劉潤成

（陜西省西安市戶縣電廠中學，陜西 西安 710302）

聲音的共鳴實驗裝置如圖1所示，取兩個頻率相同的音叉A和B（一般440Hz）分別固定于兩只相同的共鳴箱上，使它們的共鳴箱開口相對并排放在桌面上，用橡皮槌敲擊音叉A，使它振動發聲，然后用手捏住A的叉股，使它停止振動，這時，我們就會聽到音叉B振動發出的聲音.聲音的共鳴實驗音叉B振動太微弱，幾乎聽不到聲音，實驗效果欠佳.

于是筆者改進該實驗，用計算機軟件《虛擬儀器0.94》的信號發生器制作440Hz的低音音頻信號輸送給超重低音音箱，用超重低音有源音箱代替傳統實驗中的聲源音叉A發出聲音，調大音箱低音音量可以大幅度提高聲源的能量，實驗效果好.具體做法如下（實驗音叉選取440Hz共振音叉）.

圖1

1 在計算機網絡上下載《虛擬儀器0.94》軟件

《虛擬儀器0.94》軟件目前是免費的，你可以隨意復制傳播，但用于商業目的請先與作者嚴宇亮聯系.＊下載完成后再用軟件winrar將下載的軟件解壓縮到硬盤D盤上.《虛擬儀器0.94》軟件是可以解壓縮后不用在計算機上安裝，不用注冊直接運行而且沒有功能限制.

2 用計算機軟件《虛擬儀器0.94》制作音頻信號完成聲音共鳴實驗

（1）組裝實驗器材.

圖2

如圖2所示，將超重低音音箱信號輸入線的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，這時音箱可以正常播放計算機歌曲.將440Hz的音叉的共鳴箱與超重低音音箱口對口放置使音箱發出的聲波能量可以盡量被音叉的共鳴箱接收.調節音箱音量大小.

為了使眼睛也能清楚地看到音叉因產生共鳴而振動的現象，可用較長的細線系住乒乓球懸掛在音叉臂旁如圖3.為了增大可見度，乒乓球涂成紅色，細線為綠色，后面背景可用白色紙板.實驗時可觀察到乒乓球被音叉臂彈開，說明音叉發生了振動現象.

（2）啟動《虛擬儀器 0.94》軟件.

在計算機硬盤D盤上存儲《虛擬儀器0.94》軟件的文件夾下用鼠標雙擊執行文件，啟動《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》軟件的信號發生器需要按下窗口右下角的信號源按鈕來啟動信號發生器。這是一個頻率很準確的雙路正弦波發生器，由于采樣的特性所限，高頻部分有所失真，但在50Hz－15 kHz時波形都相當好，輸出幅度可通過調節音量實現，按下左邊的“L頻率”按鈕可設置輸出頻率（如圖5）.

（3）用《虛擬儀器0.94》軟件制作所需要的音頻信號完成以下實驗.

圖5

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

① 在彈出的設置頻率值對話框中輸入440Hz音箱頻率與音叉頻率相同，音箱發出440Hz的聲音，調節音箱音量大小，1min后關閉有源低頻音箱電源，音箱停止發聲，此時會聽到音叉發出的聲音說明音叉在振動，發生共振現象.

② 在計算機上重復以上操作，在彈出的設置頻率值對話框中輸入339Hz或441Hz，音箱發出339Hz或441Hz的聲音，調節音箱音量到最大音量，1min后關閉有源低頻音箱電源，不能觀察到音叉的振動.音箱發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現象.

③ 在計算機上重復以上操作，如果在彈出的設置頻率值對話框中輸入頻率值為220Hz，音箱發出220Hz的聲音，則音箱發出聲音的頻率恰好是音叉固有頻率440Hz的一半，將音箱音量調至最大值，一分鐘后關閉有源低頻音箱電源，實驗發現音叉也發生振動現象.音叉的發出聲音的音調比音箱高，音叉的振動頻率是440Hz.受迫振動的頻率與驅動率頻率不相等，等于驅動力頻率的二倍.

音叉振動兩個周期音箱聲波給音叉提供一次驅動力，音叉也可以發生振動，但是音叉振幅比①實驗中音箱發聲頻率為440Hz時小.

筆者通過實驗發現用計算機軟件《虛擬儀器0.94》制作出頻率為220Hz的音頻信號輸送給超重低音音箱，音箱發聲頻率（220Hz）恰好是音叉固有頻率（440Hz）的一半時也可以使音叉振動，音叉振動頻率為440Hz.

筆者實驗發現聲源頻率為音叉固有頻率的一半時也可以使音叉振動.音叉振動頻率為固有頻率等于聲源頻率的2倍，筆者稱這種現象為半頻振動現象.

④ 在計算機上重復以上操作，如果在彈出的設置頻率值對話框中輸入頻率值為221Hz或219Hz數值，則不能觀察到音叉振動現象.

⑤ 在計算機上重復以上操作，如果在彈出的設置頻率值對話框中輸入頻率值為880Hz數值，則不能觀察到音叉振動現象.

驅動力頻率為固有頻率的兩倍時，音叉的每一個固有周期內音箱發出的聲波給音叉提供兩次驅動力，這兩次驅動力的作用互相抵消.

關閉《虛擬儀器0.94》軟件，結束聲音共鳴實驗.

1 楊向陽.聲音共鳴演示實驗的改進.中小學實驗與裝備，1994（4）.

2 姜鳳旭，周發明.錄音機在中學物理實驗教學中的若干應用.物理教學探討，2004（4）.

3 王志年.用單只共鳴箱做聲音的共鳴實驗.物理教師，2003（3）.

4 王桂生.聲音共鳴實驗小改進.中學物理教學參考，1999（5）.

5 唐廣.聲音共鳴實驗的改進.物理教學探討，2003（3）.

6 馮爾理.基于聲卡的虛擬示波器設計與實現.黑龍江科技信息，2010（33）.

7 呂紅英，吳先球，劉朝輝，陳俊芳.LabVIEW環境下基于聲卡的虛擬示波器軟件設計.計算機應用與軟件，2007（3）.