水瓶琴發(fā)聲原理的深入研究

張恩德 鐘雙龍 馬澤鵬

(嘉應學院物理與光信息科技學院，廣東梅州 514015)

“水瓶琴”是在一套相同的玻璃瓶子或玻璃杯內(nèi)盛上深淺不同的水，根據(jù)各瓶水量的多少依次排列，并使它們組成一個完整的音階，敲擊瓶子時能發(fā)出悅耳動聽的曲子，故又稱“水杯編鐘”.水瓶琴因取材方便、操作簡單、效果明顯，頗受教材編者與教師青睞，蘇科版初中物理教材(八上)在“聲音的特性”的相關欄目中介紹了該實驗.

關于水瓶琴的發(fā)聲原理，文獻［1-2］認為，如果采用“吹”的方式演奏，則發(fā)聲體主要為空氣柱，空氣柱越短振動的頻率就會越大，音調(diào)也就越高，如果采用“擊打”的方式演奏，則發(fā)聲體主要為瓶內(nèi)的水柱，水柱越短振動的頻率就會越大，音調(diào)越高，兩種不同形式的演奏，水瓶琴發(fā)聲音調(diào)高低剛好相反.但是，上述研究均是定性方式，8個相同的水瓶中灌入不同高度的水，敲擊它們時真的能發(fā)出“1，2，3，4，5，6，7，i”的聲音嗎?水瓶琴發(fā)聲音調(diào)或頻率高低與水量的高低有何定量關系?敲擊力度、敲擊位置對水瓶琴發(fā)聲有何影響?基于上述問題，筆者對水瓶琴展開了更深入的研究.

1 研究方法與器材

本研究采取控制變量法，首先保證敲擊力度及位置不變，以1cm為單位，依次改變瓶子或杯子中水面高度，分別敲擊水量不同的瓶子，利用電腦麥克風依次收集敲擊的聲音，同時使用電腦軟件對聲音進行分析，依次測出其頻率值;接著，保持瓶或杯中水量以及敲擊位置不變，依次改變敲擊力度，利用電腦軟件依次測得其發(fā)聲頻率，對頻率值進行分析與比較;最后，保持瓶或杯中水量以及敲擊力度不變，改變其敲擊位置，利用電腦軟件依次測得各位置敲擊發(fā)聲的頻率值，對頻率值進行分析與比較.

基于上述研究目的與思路，本研究選取的器材有:電腦、電腦軟件VIRTINSMulti-Instrument3.2、麥克風、青島啤酒瓶(容量500mL，高約26cm)、高腳杯(樂美雅.實威高腳杯19cL，高約14cm，裝水部分 6.5～14cm)、鉛筆、筷子、支架、彈簧、尺子等.

2 研究過程

(1)水瓶琴發(fā)聲時發(fā)聲體的確定.

敲擊瓶子發(fā)聲，其發(fā)聲物可能有:瓶子振動;瓶內(nèi)水振動;瓶子和水共同振動.對于發(fā)聲體的上述3種可能，研究采用下列實驗進行確定.

①我們將瓶子裝滿水，然后用鉛筆敲擊瓶子并發(fā)出聲音;將瓶內(nèi)水全部倒出，然后用鉛筆敲擊空瓶子，空瓶子仍能夠發(fā)出聲音.我們可以確定敲擊瓶子發(fā)聲，其發(fā)聲體肯定包含瓶子振動.

②相同的瓶子在敲擊過程中，隨著瓶內(nèi)水量的變化，其發(fā)出聲音的音調(diào)不同，可以確定敲擊瓶子發(fā)聲，其發(fā)聲體是由瓶子與水共同振動產(chǎn)生的.

(2)水瓶琴敲擊發(fā)聲的音調(diào)與瓶內(nèi)水的高度的關系.

實驗器材取一支架，一彈簧，一鉛筆，一個瓶子或杯子.彈簧水平固定在支架上，并可上下調(diào)整高度，鉛筆與彈簧相固定為一整體并保證可以水平敲擊瓶子，鉛筆一端放一瓶子(圖1).實驗過程中，只需橫向拉動鉛筆，并保證拉動角度相同，就可以保證實驗過程中敲擊點與敲擊力度保持一致.研究具體過程如下:

①將麥克風與電腦相連，打開電腦軟件VIRTINS Multi-Instrument3.2，在儀器菜單中勾選示波器與頻譜分析儀;點擊采樣參數(shù)自動設置按鈕，并選擇滾動模式.

②固定彈簧與鉛筆，使它們保持水平，并維持垂直高度為一定值.

③將麥克風保持在瓶子附近固定位置，以便準確收集敲擊瓶子發(fā)出的聲音.(注:環(huán)境要相對安靜，以免受噪音干擾，降低實驗精確性.)

圖1

④從空瓶開始，以1cm為單位依次增加瓶內(nèi)水的高度，并依次敲擊瓶子(保持力度一致，即拉動鉛筆角度不變).

⑤每次敲擊瓶子以后，點擊軟件的啟停按鈕.軟件停止運行，并顯示敲擊聲音的波形(示波器)與頻率值.

第1次實驗，本研究選取青島啤酒瓶(容量500mL，高約26cm)，保持敲擊點豎直高度為11cm，麥克風豎直高度11cm，與瓶子橫向距離為1cm.依次敲擊水面高度從0至26cm變化的啤酒瓶，使用軟件測出頻率值，記錄數(shù)據(jù)如表1.

表1

續(xù)表

基于上述數(shù)據(jù)，為了更直觀地表述水瓶琴發(fā)聲頻率與瓶內(nèi)水面高度關系，筆者將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(如圖2所示).

圖2

由表格數(shù)據(jù)及圖表可以清晰看出，敲擊瓶子發(fā)聲的頻率隨著水的高度的增加而減小，而頻率減小，音調(diào)也降低.所以敲瓶發(fā)聲的音調(diào)隨著瓶內(nèi)水的高度增多而降低，但其降低的幅度并不相同，并且兩者并非呈現(xiàn)線性關系.然后，筆者使用樂美雅·實威高腳杯19cL(高約14cm，裝水部分6.5～14cm)，保持敲擊點垂直高度11cm，麥克風豎直高度11cm，與高腳杯橫向距離為1cm，重復上述實驗方法，可得數(shù)據(jù)如表2所示.

表2

續(xù)表

基于上述數(shù)據(jù)，為了更直觀地表述高腳杯敲擊發(fā)聲頻率與杯內(nèi)水面高度關系，筆者將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成如圖3所示.

圖3

由上述圖表可知，隨著高腳杯內(nèi)水的高度的增多，敲擊發(fā)聲的頻率逐漸變小，與啤酒瓶實驗結(jié)論相同.

(3)水瓶琴敲擊發(fā)聲的音調(diào)與敲擊力度的關系.

為了探究水瓶琴敲擊發(fā)聲的音調(diào)與敲擊力度的關系，筆者進行如下實驗.

①如圖1所示，固定好彈簧與鉛筆，使之保持水平(豎直高度為11cm).

②在瓶子內(nèi)裝入9cm高的水并保持不變.

③拉動鉛筆，并使拉動角度依次變大(即增大敲擊瓶子的力度).使用電腦軟件VIRTINSMulti-Instrument3.2分別測出不同力度下敲瓶發(fā)聲的頻率.

實驗時，實驗器材選擇以及位置關系配置如下:青島啤酒瓶(容量500mL，高約26cm)，敲擊點豎直高度為11cm，麥克風豎直高度11cm，與瓶子的橫向距離為1cm，水高9cm不變.實驗測得數(shù)據(jù)如表3所示.

表3

基于上述數(shù)據(jù)，為了更直觀地表述水瓶琴發(fā)聲頻率與敲擊力度的關系，筆者將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成如圖4所示.

圖4

由上述圖表可知，保持敲擊位置以及瓶子內(nèi)水的高度不變，改變(依次增加)敲擊的力度(可行范圍內(nèi))，敲擊發(fā)聲的頻率幾乎不變.

圖5

(4)水瓶琴敲擊發(fā)聲的音調(diào)與敲擊位置的關系.

為了探究水瓶琴敲擊發(fā)聲的音調(diào)與敲擊位置的關系，筆者進行如下實驗.

① 如圖5所示，在瓶子內(nèi)裝入清水，并使水面豎直高度保持在9cm不變.

②在瓶子上從下向上(等粗形狀規(guī)則部分)依次選取1、2、3、4、5這 5 個點，使之對應的瓶子高度分別為 3cm、6cm、9cm、12cm、15cm.

③在保持彈簧與鉛筆水平的前提下，改變彈簧在支架上的高度，使之依次與5個點的高度對應.

④分別在5個位置敲擊瓶子，但是要注意保持敲擊的力度相同.利用麥克風及電腦軟件收集并測出5個位置敲擊發(fā)聲的頻率值.

實驗時，實驗器材選擇以及位置關系配置如下:青島啤酒瓶(容量500mL，高約26cm)，麥克風的位置隨著敲擊點改變而改變以保證收集聲音準確，與瓶子的橫向距離為1cm，水高9cm保持不變.實驗測得數(shù)據(jù)如表4所示.

表4

基于上述數(shù)據(jù)，為了更直觀地表述水瓶琴發(fā)聲頻率與敲擊位置的關系，筆者將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成如圖6所示.

圖6

由上述圖表可知，保持敲擊位置以及瓶子內(nèi)水的高度不變，改變(依次增加)敲擊的位置(可行范圍內(nèi))，敲擊發(fā)聲的頻率幾乎不變.

3 研究結(jié)論

筆者通過上述關于水瓶琴發(fā)聲頻率實驗探究，得出結(jié)論如下.

(1)水瓶琴發(fā)聲是由于瓶子與瓶內(nèi)的水共同振動而產(chǎn)生的，瓶內(nèi)水的高度不同，水瓶琴發(fā)聲頻率不同，但二者關系并不是線性的.由表1可知，青島啤酒瓶內(nèi)水面高度在9cm與13cm附近，其發(fā)聲頻率曲線出現(xiàn)突變，由表2可知，當樂美雅·實威高腳杯水面高在3cm附近時，其發(fā)聲頻率曲線出現(xiàn)突變.

(2)分別采取控制變量法，上述實驗發(fā)現(xiàn)水瓶琴發(fā)聲頻率與敲擊的力度與位置無關.

從理論上，能否通過適當調(diào)節(jié)水瓶內(nèi)水的高度，敲擊瓶子能發(fā)出“1，2，3，4，5，6，7，i”的聲音呢?筆者查閱“十二音調(diào)等調(diào)整音階標準頻率表(表5)”等資料，發(fā)現(xiàn)若用青島啤酒瓶(容量500mL，高約26cm)或樂美雅·實威高腳杯很難敲擊發(fā)出完整的“1，2，3，4，5，6，7，i”聲音.雖然敲擊水的高度為6cm至7cm樂美雅·實威高腳杯，它的發(fā)聲頻率在5度的G至B音調(diào)之間，考慮到不同音調(diào)對應水的高度差很小而不方便觀察，實驗的可操作性差.當青島啤酒瓶內(nèi)水的高度為0至26cm時，其發(fā)聲頻率在7度的G至B音調(diào)之間#C至G之間.考慮到該實驗的定性性質(zhì)，筆者建議，若實驗采取青島啤酒瓶(容量 500mL，高約26cm)，可選7個瓶子依次裝水高度為13.1cm、11.2cm、9.7cm、8.4cm、7.6cm、5.8cm、3.8cm，它可分別發(fā)出5度的#C、D、#D、E、F、#F、G 等音調(diào)，基本滿足物理課堂教學需要.

表5

4 結(jié)語

將教育科研扎根于日常教學的每一細節(jié)，這既是廣大一線教師的歷史使命，也是廣大一線教師的優(yōu)勢所在.本課題取材于蘇科版初中物理教材的某一習題，教材編者也僅僅寥寥數(shù)語.但是，該實驗蘊藏許多課程價值，許多有待澄明之處，類似的教育研究著眼點其實比比皆是，只要教師善于發(fā)現(xiàn)、善于深入發(fā)掘，一定會有收獲.教材只是重要的課程資源，也只是編者對課程的一種解讀方式，教材理應受到重視，但不應盲信，教師一定要用自己的智慧對教材進行再開發(fā)與研究.

1 陳明生.“水瓶琴”發(fā)聲音調(diào)再探［J］.物理通報，2006(6):64.

2 易海濤，黃平安.神奇的“水瓶琴”［J］.新課程(教研版)，2009(4):172.