声音震碎酒杯实验

梁振华

（德清县第一中学，浙江 湖州313200）

1 引 言

在讲解共振现象时，教师经常会提到当声音的频率和酒杯的固有频率相等时，会使酒杯产生共振，从而震碎酒杯，但是没有实验演示，学生将信将疑．为此，笔者进行了多方查找，在互联网上有一些歌唱家利用歌声震碎酒杯的视频；文献［1］提出了震碎日光灯管的实验设计，但是原理上并非是声音和灯管的共振．那么在物理课堂上能不能成功演示因共振而使酒杯破碎的实验呢？为解决这个问题，笔者进行了一些探索．

2 酒杯的固有频率

要使酒杯达到共振，必须先了解酒杯的固有频率．敲击酒杯，利用电脑将酒杯振动时发出的声音录制下来，利用音频处理软件Cool Edit对录制的声音进行频谱分析．笔者对3个不同大小的酒杯进行了测试，部分结果如图1所示．

图1 Cool Edit采集的振动酒杯频谱

观察频谱分析的结果，酒杯发出的声音频率并非是单一频率，而是具有一系列的频率的声音构成，其中存在一些主频率．

3 声 源

声音震碎酒杯的实验设计过程为：使声音的频率逐渐变大，当声音的频率与酒杯振动的某个主频率相同时，酒杯达到共振从而破碎．这样的实验过程就能反映出共振现象：声音的频率与酒杯的固有频率相差较大时，酒杯振动很小；声音的频率与酒杯的频率接近时，酒杯的振动逐渐剧烈，振动最剧烈时，酒杯因共振而破碎．

根据设计的实验过程，需要声源具备频率连续可调的特点．信号发生器可以实现这样的要求，但是学校的信号发生器都是机械式调节，不能实时精确显示频率．笔者选择了虚拟音频发生器Audio Sweep Gen软件，大小约为200 k，可在网络上搜索下载并且无需安装，其运行界面如图2所示．利用Audio Sweep Gen软件可以方便地实现频率连续可调并实时显示．

图2 运行界面

4 播放设备

要把酒杯震碎，除了频率相同达到共振之外，还要使酒杯振动的能量较大，这就要求播放声音具有较大的响度．笔者采用了2只300 W的音频功率放大器和300 W的12寸喇叭．12寸的喇叭的频响范围为20～2 500 Hz，包含了笔者选择的酒杯的最低主频率．

5 酒杯的选择

作为课堂演示实验，要具有较好的可见度和趣味性，因此选择了较大容积的高脚杯来进行实验．实验过程中笔者选择了5款不同型号的酒杯（图3）进行实验，发现实验的成功与否和酒杯的形状、厚度有较大的关系．

图3 不同型号的酒杯

把酒杯放置于2个正对放置的喇叭中间，并在酒杯中放了1根塑料吸管，便于观察酒杯的振动情况．调节声音的频率由小到大缓慢增加，不同的酒杯都会出现在某些频率范围内振动非常剧烈，但有些酒杯没有震碎．对几个能被震碎的酒杯进行测量，它们的杯壁最薄处都比较薄，同时酒杯的开口直径较大．因此在做这个实验时，要选择开口较大、杯壁较薄，同时最好能带一点瑕疵的酒杯．笔者最终选择的一款酒杯为图3中的从左到右第3个杯子，其振动时的频谱见图1．酒杯高约为23 cm，杯口直径约为7．8 cm，其中杯壁最薄处为0．8 mm，同时也是一款瑕疵品，带有气泡．

6 实验装置

实验时，将装置和酒杯如图4所示放置，酒杯中放入吸管用以反映酒杯振动情况．音频发生器Audio SweepGen软件的设置：Frequency Range选项设置为Cuatom；Sweep Speed选项设置为Slow，时间设置为40 s左右；设置包含酒杯主频率之一的频率范围，例如：图1中的一个主频率为560 Hz，则可设置为450～700 Hz．

图4 实验装置

在音频发生器Audio Sweep Gen软件中点击Start开始播放声音，在声音的音调升高（即频率变大）过程中，酒杯中的吸管振动会慢慢剧烈起来，直到酒杯破裂．使用图1中的样品3实验过程中，当声音的频率约为560 Hz时酒杯振动达到最大并被震破．由样品频谱分析可知，560 Hz为它的主频率之一，即当声音的频率为560 Hz时，酒杯达到共振，酒杯的振动最为剧烈而破碎．酒杯震碎的图片见图5．

图5 酒杯震碎图片

7 结束语

完成这个实验的过程中主要在酒杯的选择上遇到了较大的困难，能否找到一款比较合适的杯子是这个实验成功的关键．同时这个实验还是存在了两个缺点：一是声音较响；二是酒杯的使用是一次性的，不能反复使用．

［1］ 丁平财．物理实验室也可以做“声音震碎酒杯”的实验［J］．物理教学，2002（8）：．

［2］ 莫滨．敲击水杯音调变化的实验研究［J］．物理实验，2006，26（5）：29－31．

［3］ 徐忠岳．受迫振动与共振实验的创新设计［J］．物理实验，2009，29（7）：22－24．

［4］ 王浙伟．“受迫振动共振”演示实验的研究与改进［J］．物理实验，2009，29（10）：16－19．