光纖傳導(dǎo)共振球

譚璟升 王林海 覃治航

2020年5月的一個(gè)中午，廣東省東莞市虎門大橋頻繁發(fā)生橋面抖動(dòng)現(xiàn)象，橋面一度被封鎖。專家到現(xiàn)場(chǎng)查勘后得出結(jié)論：這是橋梁領(lǐng)域常見的渦振現(xiàn)象，與不久前加設(shè)在橋面上的水馬有關(guān)。

渦振現(xiàn)象一般指渦激振動(dòng)或渦激共振，是一種與風(fēng)有關(guān)的自然現(xiàn)象，當(dāng)空氣等流體通過物體后出現(xiàn)渦旋脫落，這些漩渦脫落的頻率會(huì)與橋梁的固有頻率形成共振。那么什么是共振？共振原理是什么？如何產(chǎn)生共振？我們對(duì)此產(chǎn)生了濃厚興趣。

經(jīng)過一番了解，我們萌生了設(shè)計(jì)制作一個(gè)能夠人為制造共振的裝置——光纖傳導(dǎo)共振球，它能夠呈現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象，還能顯示具體的共振頻率，便于同學(xué)們理解共振原理，從而激發(fā)大家學(xué)習(xí)物理的興趣。

●準(zhǔn)備材料

LED紅燈組合（放在共振球里）、12V電源適配器、功放板（帶藍(lán)牙功能）、共振球（3D打印，輕且硬度能承受鉆孔）、碳纖維桿、透明的塑料光纖（黏附在碳纖維桿上）、熒光紅漆（涂抹在碳纖維桿末端，加強(qiáng)視覺效果）、話筒及話筒轉(zhuǎn)接線（連到功放板）、共振喇叭、共振箱（音叉共鳴箱，把喇叭的聲音通過共振放大）。

●作品說明

整個(gè)裝置通電后，LED燈組會(huì)亮起紅色，經(jīng)由光纖傳導(dǎo)至光纖末端，可以看到桿末端有星星點(diǎn)點(diǎn)的紅色亮點(diǎn)。

將手機(jī)藍(lán)牙與功放板藍(lán)牙連接，用手機(jī)播放音樂或一定頻率的聲音信號(hào)，經(jīng)由功放放大后傳至共振喇叭，喇叭發(fā)聲并振動(dòng)從而帶動(dòng)碳纖維桿晃動(dòng)。當(dāng)聲音的振動(dòng)頻率與碳纖維桿的固有頻率相同時(shí)，就能引起碳纖維桿共振。在暗室環(huán)境下，碳纖維桿的振動(dòng)表現(xiàn)為光纖亮點(diǎn)在動(dòng)態(tài)畫圓圈。

由于共振喇叭自身發(fā)聲音量有限，為增大音量輸出獲得更好的聽覺體驗(yàn)以及消除底部與桌面的摩擦聲，在共振喇叭下方黏一個(gè)音叉共鳴箱，共鳴箱下再黏一層泡棉板，喇叭振動(dòng)引發(fā)箱內(nèi)空氣共鳴，使得輸出的音量更大，效果更佳。

經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，在256Hz、512Hz、440Hz三種音叉共鳴箱中，256Hz的音叉共鳴箱效果與本裝置所使用的共振喇叭最匹配。

●現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

播放不同頻率的聲音信號(hào)，不同長(zhǎng)度的碳纖維桿響應(yīng)振動(dòng)，碳纖維桿共振可推出碳纖維桿的固有頻率為此時(shí)聲音信號(hào)的頻率；聲音信號(hào)頻率越低，響應(yīng)振動(dòng)的碳纖維桿的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，聲音信號(hào)頻率越高，響應(yīng)振動(dòng)的碳纖維桿的長(zhǎng)度越短。當(dāng)聲音信號(hào)維持一段時(shí)間，則碳纖維桿就會(huì)持續(xù)振動(dòng)畫圓圈。如在暗室環(huán)境下，LED點(diǎn)亮，光纖末端透光，一個(gè)動(dòng)態(tài)的圓圈亮圈效果更明顯。

播放一段音樂時(shí)，共振喇叭發(fā)出音樂聲，由于聲音信號(hào)頻率在變化，則不同長(zhǎng)度的碳纖維桿響應(yīng)振動(dòng)。

同樣頻率下，把音量調(diào)大，則碳纖維的振幅會(huì)隨之增大，如果看到畫圓，則圓圈的半徑會(huì)加大。

●未來設(shè)想

經(jīng)過測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)有幾種情況無法看到碳纖維桿振動(dòng)，如當(dāng)用話筒說話（喊話）時(shí)，音量太小或發(fā)聲音量難以持續(xù)保持大音量；或使用的話筒靈敏度不高，采集到的聲音信號(hào)無法放大；或由于功放板對(duì)大音量放大倍數(shù)有限；又或者是說話頻率單一，無對(duì)應(yīng)固有頻率的碳纖維桿與之相對(duì)等，所以用話筒說話需要保持一定頻率、大音量輸出才能看到碳纖維桿振動(dòng)。對(duì)于本裝置，后續(xù)我們還想增加不同長(zhǎng)度的碳纖維桿數(shù)量、采用更靈敏、具有放大功能的話筒及使用更大放大倍數(shù)的功放板。

（本作品獲得第36屆廣西青少年科技創(chuàng)新大賽中學(xué)生科技創(chuàng)新成果競(jìng)賽一等獎(jiǎng) 指導(dǎo)老師：寧東蓮、周 君）