李会平 王昆林 沙育年
(楚雄师范学院 云南 楚雄 675000)
音叉振动所发出的声波是纯音,其纯音的频率与叉股的长度、质量有关.一般而言,其音叉的频率是固定不变的[1].由于某种实际的需要,要改变音叉的频率,可在音叉叉股上套上金属环作为负载.就可改变音叉振动的频率,负载在叉股上的位置以及音叉单股负载或是双股负载,对其音叉的振动频率肯定是有影响的.对其影响的规律性进行探索研究是很有意义的.
引入DIS数字化信息系统进行检测音叉的空载频率及负载频率[2,3].分别使音叉空载、单股负载、双股负载、移动负载在叉股上的位置,敲击音叉,使音叉振动发出声波.由DIS系统中的声传感器采集信号,通过数据采集器,DIS系统处理数据显示出相关图形,得到相应的频率,从而进行相关性探索研究.装置图见图1.
图1 研究系统结构装置示意图
选用一只标称频率为440.0Hz的标准音叉,将其固定在音叉共鸣箱上.调整好DIS数字化信息系统,橡皮小锤敲击音叉叉股,使其振动产生声波.通过DIS系统可在其电脑屏幕上显示出稳定的声波振动图像[4].见图2,此波形图横坐标为时间,纵坐标为振动的位移.从图中可知音叉的振动所产生的声波为单一频率的纯音,从图形横坐标上直接截取读出3个振动周期的时间间隔
图2 音叉空载时振动波形图
则音叉振动周期为
以音叉标称频率440.0Hz为最佳近真值,则
将质量为9.0g小金属环套在音叉单叉股上,作为其质量负载.以叉股最下点为起点,向上移动金属环,每次移动0.5cm,测定出对应的频率.
研究负载向上移动的距离与音叉振动频率之间的关系.
其实验数据见表1.
表1 单叉股负载实验数据表
为研究的方便将以负载位置为横坐标,以振动频率为纵坐标.作出图线,见图2,结合数据表进行分析研究.
图3 负载位置 -频率变化图
从数据表和图线可看出随着负载位置的上升,音叉的振动的频率下降,但变化不是均匀的.
当负载位置由零增加到1.5cm,频率减小的变化不太明显.由1.5cm增加到6.0cm,频率减小的变化明显.由6.0cm增加到9.0cm,频率减小的变化非常明显.由于数据采点不是足够多,数据变动的步长也不可能太小,从而使图1中的曲线不是太平滑,但是总体的趋势还是表达清楚了.即随着负载金属环向上移动,振动频率降低,但不是线性变化,当负载金属环移动到音叉单股的顶端时,其音叉振动频率是急剧下降的.
将两个质量同为9.0g小金属环分别套在音叉双叉股上,作为其质量负载[5].将两叉股上的负载金属环以0.5cm距离为移动步长,同时向上移动,分别测出负载不同位置的音叉振动频率,其相应实验数据见表2.
表2 双叉股负载实验数据表
依据表2中的数据,做出随负载位置变化音叉振动相应的频率图.见图4.
图4 负载双环上移位置 -频率变化图
根据表2数据结合图4可看出,负载金属环向上同时移动时,音叉振动频率随之衰减.特别是双环移动到5.5cm位置以上时,音叉振动频率急剧衰减.
将两个质量同为9.0g小金属环,一个固定在一支叉股的8.0cm处,另一个金属环在另一支以0.5cm为移动步长向上移动,测出负载在不同位置相应的音叉振动频率,其相应的实验数据,见表3[6].
表3 双叉股负载单环移动实验数据
依据表3中的数据,做出随负载位置变化音叉振动相应的频率图.见图5.
图5 负载双环单环位置 -频率图
根据表3数据结合图5可看出,单叉股金属环负载固定,另一叉股负载向上移动,其相应音叉振动频率也是衰减的.但衰减的变化较为均匀,从图5上可看出,音叉振动频率的变化无明显的奇点.而且,整个曲线较为平滑.
从以上实验数据和图像比较可看出,负载双金属环单环移动,其音叉的振动频率变化较为均匀,比较图3,图4和图5可看出,图5的曲线较为平滑,近似为线性.
由以上研究分析比较可知,对于标准音叉是可以改变其振动频率的.在音叉叉股上负载金属环是将标准音叉频率变小的一种方法,在音叉的两个叉股上负载金属环,其中一个负载金属环固定,另一个金属环向音叉顶端移动,到不同的位置,相应音叉振动频率改变近似是均匀平滑的.根据实际情况的需要,可参照此方法进行.
1 易其顺,蒋志年,闭剑锋.利用李萨如图形测量音叉的频率.大学物理实验,2005(4):36~37
2 李定梅,甘奕文,封玲.基于计算机实测技术的音叉固有频率测量.物理实验,2010(11):44~46
3 侯俊杰,邱泰光,王昆林.基于DIS系统测定自制音叉振动频率的研究.物理通报,2012(9):75~77
4 施应恒,王昆林.基于DIS系统对弹簧牵动磁体振动产生电磁感应对应参量研究.大学物理实验,2013(3):79
5 陈莹梅,陆申龙.音叉的共振频率与双臂质量的关系研究及其应用.物理实验,2006(7):6~9
6 周丽,蒋亚玲.用计算机研究音叉共振频率和双臂质量的关系.大学物理实验,2007(3):78~81