小孔吸收聲音的實(shí)驗(yàn)

畢亮

摘要：這個小孔吸收聲音的實(shí)驗(yàn)取材簡單，“小孔”和發(fā)聲體相距很遠(yuǎn)時效果也非常顯著。該實(shí)驗(yàn)不需要發(fā)聲體有非常大的響度.不會妨礙別人的正常工作和學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：小孔；吸收；聲音；礦泉水瓶；音箱

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）2（S）-0058-2

1 研究背景

在講授教科書《噪聲的危害與控制》的內(nèi)容時。筆者引用了課本上的例子：為了防止噪聲產(chǎn)生，摩托車排氣管里安裝有消聲器；為了阻斷噪聲的傳播，穿越居民區(qū)的高速公路兩旁安裝有隔音板……這時有學(xué)生問：老師，消聲器是怎樣防止噪聲產(chǎn)生的？隔音板是怎樣阻斷噪聲傳播的？你能詳細(xì)解釋一下嗎？

筆者就這位同學(xué)的提問做了一些簡單介紹：消聲器是用一些多孔的材料制成的，這些多孔的材料能吸收聲音。隔音板也是用一些多孔的材料制成的，隔音板除了能反射聲音，同時還能吸收聲音。一個平時愛問“為什么”的同學(xué)又接著問：小孔可以吸收聲音？老師，你能證明給大家看嗎？但是筆者要怎么證明給學(xué)生看呢？這是一個令人頭痛的問題。

2 設(shè)計(jì)思路

聲音是由物體振動產(chǎn)生的。發(fā)聲的物體會帶動周圍的空氣振動，形成疏密相間的波動（聲波），向遠(yuǎn)處傳播。聲波是可以傳遞能量的，例如放在揚(yáng)聲器旁的蠟燭火焰會被聲波“吹”彎。我們身邊有“小孔”的物體很多，譬如去掉瓶蓋的礦泉水瓶。如果把沒有瓶蓋的礦泉水瓶放入一個聲音噪雜的環(huán)境，聲波會通過瓶口進(jìn)入瓶內(nèi)，由于瓶口比瓶身小很多，聲波會在瓶內(nèi)不斷反射，由于受到空氣的摩擦和粘滯阻力。以及使礦泉水瓶作機(jī)械振動，聲能最終會轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝夂偷V泉水瓶的內(nèi)能。

也就是說。如果礦泉水瓶的“小孔”吸收了聲音，那礦泉水瓶就是吸收了能量；如果礦泉水瓶吸了能量的話，那礦泉水瓶一定會發(fā)生振動。但是如果礦泉水瓶的振動很小的話。就不容易觀察到，那如何才能使礦泉水瓶的振動非常顯著呢。順著這樣的思路，筆者經(jīng)過多次失敗后最終成功設(shè)計(jì)出“小孔吸收聲音”的實(shí)驗(yàn)，并在課堂上取得了非常滿意的效果。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

一個596ml的娃哈哈礦泉水瓶，一對產(chǎn)品型號為LXB-203D的聯(lián)想商用音箱（該音箱為小音箱，質(zhì)量小于1.5kg），筆記本電腦一臺。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

用筆記本電腦播放一些強(qiáng)烈的音樂。如搖滾、重金屬一類的歌曲（輕柔的音樂收效甚微）。旋轉(zhuǎn)音量調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)音量（以不干擾隔壁班級上課為宜），然后旋轉(zhuǎn)低音旋鈕把低音調(diào)到理想位置。接下來，用手握住蓋子已擰緊了的596ml的娃哈哈礦泉水瓶，并把該礦泉水瓶放在型號為LXB-203D的聯(lián)想商用音箱附近，瓶口正對著音箱，這時會發(fā)現(xiàn)瓶身并不振動，如圖1所示。爾后，把礦泉水瓶瓶蓋取下，再用手握住該礦泉水瓶并把瓶子正對音箱，這時會發(fā)現(xiàn)瓶身在振動，而且振感很明顯，如圖2所示。然后逐漸遠(yuǎn)離音箱，直到10m開外都能明顯感覺到該礦泉水瓶的瓶身隨著音樂的起伏而不停地振動。

教室里所有的同學(xué)每人拿一個596ml的娃哈哈空礦泉水瓶，在教室的任意位置，擰上瓶蓋，每個礦泉水瓶都不振動，然而一打開瓶蓋，所有的瓶子都發(fā)生振動。

3.3 買驗(yàn)說明

很多讀者會產(chǎn)生這樣的疑問，為何筆者選用596ml的娃哈哈礦泉水瓶。而不選用350ml的娃哈哈礦泉水瓶或者其他的飲料瓶？為何筆者選用型號為LXB-203D的聯(lián)想商用音箱，而不選用其他的音箱？

這里需要特別說明。并非任意的飲料瓶和任意的音箱搭配在一起就能取得明顯的實(shí)驗(yàn)效果（尤其二者相距較遠(yuǎn)時）。筆者認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，決定這個實(shí)驗(yàn)成敗的條件有五個：一是音箱要可以調(diào)節(jié)聲音的響度，這樣聲音可以傳很遠(yuǎn)；二是音箱要可以調(diào)節(jié)聲音的頻率：三是不能選用有一個獨(dú)立低音炮的音箱：四是飲料瓶的瓶壁要很薄且彈性好，這樣振動時可以有比較大的振幅：五是經(jīng)過低音調(diào)節(jié)后音箱發(fā)聲的頻率要與飲料瓶的頻率很接近。

這五個條件中最關(guān)鍵的是第五個。在選取飲料瓶和音箱的時候。一定要讓飲料瓶的頻率和音箱的發(fā)聲頻率很接近，這樣的話飲料瓶可以從周圍空氣中吸收更多的聲能，發(fā)生共振。發(fā)生共振時，飲料瓶的振幅最大，易于觀察。麻煩的問題是，我們只有反復(fù)不斷的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，才能找到最理想的飲料瓶和最理想的音箱。

這個實(shí)驗(yàn)要在非常安靜的環(huán)境下進(jìn)行，并且心要很平靜，然后把全身的注意力都集中在握住瓶身的手上。此實(shí)驗(yàn)不但可以說明小孔能吸收聲音，同時能說明聲音可以傳遞能量。如果稍加改進(jìn)，把瓶底去掉，套上一層薄薄的橡皮膜，還能演示人耳在聽到聲音時鼓膜會發(fā)生振動。

4 實(shí)驗(yàn)的簡化及拓展

4.1 簡化實(shí)驗(yàn)

很多同學(xué)回家后重復(fù)筆者的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)很難成功再現(xiàn)筆者的實(shí)驗(yàn)。的確，實(shí)驗(yàn)器材雖然常見，然而要找到頻率相近的飲料瓶和音箱的確很困難。這樣的話，要推廣這個實(shí)驗(yàn)也不容易。筆者認(rèn)真思索之后想到了簡化實(shí)驗(yàn)的方法。

實(shí)際上，小孔吸收聲音的實(shí)驗(yàn)完全可以不用音箱，只需用一個596ml的哇哈哈礦泉水瓶。方法是這樣的。幾個手握礦泉水瓶的同學(xué)湊在一塊交談，在交談的過程中，會發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶時不時的振動一下。有的同學(xué)問這是為什么呢？原因其實(shí)很簡單，我們在交談時，發(fā)出的聲音頻率總是在變化的，當(dāng)頻率與礦泉水瓶的頻率接近時，礦泉水瓶吸收了更多的能量發(fā)生了共振。

4.2 拓展實(shí)驗(yàn)

有的同學(xué)又問。怎樣才能使同一個款式的礦泉水瓶吸收到不同頻率的聲音呢？礦泉水瓶的振動頻率和礦泉水瓶中的空氣柱長度是有關(guān)聯(lián)的。筆者讓同學(xué)們把596ml的礦泉水瓶放置于課桌上，嘴唇在瓶口25cm的上方或者更高一點(diǎn)的地方（之所以嘴唇離瓶口盡量高一些，是為了避免因人在發(fā)音時把氣流吹進(jìn)瓶子。影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性），然后兩只手掌夾住瓶身，用口發(fā)出1、2、3、4、5、6、7、i這八個音調(diào)。

有些同學(xué)得出的結(jié)論是只有2能使礦泉水瓶振動，而有的同學(xué)說只有3才能使礦泉水瓶振動。為何出現(xiàn)這種差異？筆者分析可能有兩個因素使。一個是因?yàn)槲覀內(nèi)狈Ρ貍涞囊魳匪仞B(yǎng)，發(fā)音時音調(diào)不準(zhǔn)，另一個是我們在發(fā)音時音高不一樣。這兩個原因都是有可能的，這樣的話就算是“同一個音調(diào)”頻率也不相同。因此我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有很大誤差的。盡管如此，只要做實(shí)驗(yàn)的是同一個人，就會發(fā)現(xiàn)這八個音調(diào)并非所有音調(diào)都能使礦泉水瓶發(fā)生振動。

筆者又讓同學(xué)們加點(diǎn)水進(jìn)去。再發(fā)出八個音調(diào)，結(jié)果同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，只要往瓶子里適當(dāng)?shù)募铀椭挥辛硪粋€音調(diào)才可以使礦泉水瓶振動，再適當(dāng)加水，又會發(fā)現(xiàn)是其他的一個音調(diào)才會使礦泉水瓶振動，只要水量合適，這八個音調(diào)中的每一個音調(diào)都可以使礦泉水瓶發(fā)生振動，如圖3所示。

用一些礦泉水瓶。并在礦泉水瓶中加入不同高度的水，把這一些礦泉水瓶組合在一起就可以吸收不同頻率的聲音。

本實(shí)驗(yàn)給學(xué)生留下深刻印象，永遠(yuǎn)難忘。

參考文獻(xiàn)：

[1]義務(wù)教育教科書——物理八年級上冊[M]北京：人民教育出版社.2013.

[2]朱紅.聲學(xué)、光學(xué)中的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新[J].物理教學(xué)探討，2012，（1）：57.

（欄目編輯 王柏廬）