声音共鸣实验的再改进

刘润成

（陕西省西安市户县电厂中学，陕西 西安 710302）

声音的共鸣实验装置如图1所示，取两个频率相同的音叉A和B（一般440Hz）分别固定于两只相同的共鸣箱上，使它们的共鸣箱开口相对并排放在桌面上，用橡皮槌敲击音叉A，使它振动发声，然后用手捏住A的叉股，使它停止振动，这时，我们就会听到音叉B振动发出的声音.声音的共鸣实验音叉B振动太微弱，几乎听不到声音，实验效果欠佳.

于是笔者改进该实验，用计算机软件《虚拟仪器0.94》的信号发生器制作440Hz的低音音频信号输送给超重低音音箱，用超重低音有源音箱代替传统实验中的声源音叉A发出声音，调大音箱低音音量可以大幅度提高声源的能量，实验效果好.具体做法如下（实验音叉选取440Hz共振音叉）.

图1

1 在计算机网络上下载《虚拟仪器0.94》软件

《虚拟仪器0.94》软件目前是免费的，你可以随意复制传播，但用于商业目的请先与作者严宇亮联系.＊下载完成后再用软件winrar将下载的软件解压缩到硬盘D盘上.《虚拟仪器0.94》软件是可以解压缩后不用在计算机上安装，不用注册直接运行而且没有功能限制.

2 用计算机软件《虚拟仪器0.94》制作音频信号完成声音共鸣实验

（1）组装实验器材.

图2

如图2所示，将超重低音音箱信号输入线的3.5立体声插头插入电脑声卡输出插口，并且将音箱的电源接通，这时音箱可以正常播放计算机歌曲.将440Hz的音叉的共鸣箱与超重低音音箱口对口放置使音箱发出的声波能量可以尽量被音叉的共鸣箱接收.调节音箱音量大小.

为了使眼睛也能清楚地看到音叉因产生共鸣而振动的现象，可用较长的细线系住乒乓球悬挂在音叉臂旁如图3.为了增大可见度，乒乓球涂成红色，细线为绿色，后面背景可用白色纸板.实验时可观察到乒乓球被音叉臂弹开，说明音叉发生了振动现象.

（2）启动《虚拟仪器 0.94》软件.

在计算机硬盘D盘上存储《虚拟仪器0.94》软件的文件夹下用鼠标双击执行文件，启动《虚拟仪器0.94》软件，软件界面如图4所示.

图3

图4

《虚拟仪器0.94》软件的信号发生器需要按下窗口右下角的信号源按钮来启动信号发生器。这是一个频率很准确的双路正弦波发生器，由于采样的特性所限，高频部分有所失真，但在50Hz－15 kHz时波形都相当好，输出幅度可通过调节音量实现，按下左边的“L频率”按钮可设置输出频率（如图5）.

（3）用《虚拟仪器0.94》软件制作所需要的音频信号完成以下实验.

图5

首先用鼠标单击《虚拟仪器0.94》软件窗口右下角的“信号源”按钮，其次单击“L频率”按钮，在弹出的设置频率值对话框中输入实验所需音频信号的频率值（如：440、441、439、220、221、219、880等），最后用鼠标单击设置频率值对话框的“OK”按钮，软件操作结束，这时连接到电脑的超重低音音箱将发出实验所需频率的声音.

① 在弹出的设置频率值对话框中输入440Hz音箱频率与音叉频率相同，音箱发出440Hz的声音，调节音箱音量大小，1min后关闭有源低频音箱电源，音箱停止发声，此时会听到音叉发出的声音说明音叉在振动，发生共振现象.

② 在计算机上重复以上操作，在弹出的设置频率值对话框中输入339Hz或441Hz，音箱发出339Hz或441Hz的声音，调节音箱音量到最大音量，1min后关闭有源低频音箱电源，不能观察到音叉的振动.音箱发出的声音频率与音叉固有频率不同，则不能观察到音叉的振动现象.

③ 在计算机上重复以上操作，如果在弹出的设置频率值对话框中输入频率值为220Hz，音箱发出220Hz的声音，则音箱发出声音的频率恰好是音叉固有频率440Hz的一半，将音箱音量调至最大值，一分钟后关闭有源低频音箱电源，实验发现音叉也发生振动现象.音叉的发出声音的音调比音箱高，音叉的振动频率是440Hz.受迫振动的频率与驱动率频率不相等，等于驱动力频率的二倍.

音叉振动两个周期音箱声波给音叉提供一次驱动力，音叉也可以发生振动，但是音叉振幅比①实验中音箱发声频率为440Hz时小.

笔者通过实验发现用计算机软件《虚拟仪器0.94》制作出频率为220Hz的音频信号输送给超重低音音箱，音箱发声频率（220Hz）恰好是音叉固有频率（440Hz）的一半时也可以使音叉振动，音叉振动频率为440Hz.

笔者实验发现声源频率为音叉固有频率的一半时也可以使音叉振动.音叉振动频率为固有频率等于声源频率的2倍，笔者称这种现象为半频振动现象.

④ 在计算机上重复以上操作，如果在弹出的设置频率值对话框中输入频率值为221Hz或219Hz数值，则不能观察到音叉振动现象.

⑤ 在计算机上重复以上操作，如果在弹出的设置频率值对话框中输入频率值为880Hz数值，则不能观察到音叉振动现象.

驱动力频率为固有频率的两倍时，音叉的每一个固有周期内音箱发出的声波给音叉提供两次驱动力，这两次驱动力的作用互相抵消.

关闭《虚拟仪器0.94》软件，结束声音共鸣实验.

1 杨向阳.声音共鸣演示实验的改进.中小学实验与装备，1994（4）.

2 姜凤旭，周发明.录音机在中学物理实验教学中的若干应用.物理教学探讨，2004（4）.

3 王志年.用单只共鸣箱做声音的共鸣实验.物理教师，2003（3）.

4 王桂生.声音共鸣实验小改进.中学物理教学参考，1999（5）.

5 唐广.声音共鸣实验的改进.物理教学探讨，2003（3）.

6 冯尔理.基于声卡的虚拟示波器设计与实现.黑龙江科技信息，2010（33）.

7 吕红英，吴先球，刘朝辉，陈俊芳.LabVIEW环境下基于声卡的虚拟示波器软件设计.计算机应用与软件，2007（3）.