声波干涉【利用Ｄｉｓｌａｂ演示声波干涉实验】

时间：2019-01-30 03:37:01　来源：雅意学习网本文已影响人

　　用音叉演示声波的干涉，是中学物理教学中一个重要的演示实验。物理教育期刊上还介绍过该实验的一些改进方案。笔者注意到其中有三种常用的方法：其一是用单独的音叉演示；其二是用音叉配以共鸣箱演示；第三种方法是用立体声音响演示。�
　　笔者认为这三种实验方案都有一些明显的缺点。第一种方案中是靠音叉的双臂振动来激发两列声波，由于两个波源相距太近（通常1.5-2.5cm），大大小于音叉产生的声波波长（1.3�-0.64m），因此难以形成强弱相间的声场分布，产生明显的干涉现象。第二种方法中，由于音叉有共鸣箱，共鸣箱辐射的声波具有明显的方向性，也会影响实验效果（图1）。第三种立体音响法要采用较高的正弦音频，需音响等辅助设备，做实验时前期准备工作很多。这种方法效果一般，不甚方便。�
　　笔者借助于DISlab实验系统［1］，设计了利用DISlab进行声波干涉实验的方法，介绍如下：�
　　随着多媒体技术的发展，现在网络上已有不少虚拟仪器软件可以找到，如基于声卡的虚拟示波器软件，执行该程序，可以从计算机声卡上产生频率、波形可调的声波，由于该声音强度可调、不会衰减、波形丰富、操作简单，可以被我们用来做声波实验的声源。调节时，可分别调整左右声道的频率及波形，通过音箱产生同频率的声波，声波强度由音箱调节（如图2）。�
　　实验1：声波的干涉实验�
　　实验器材：DISLab实验系统、微机、音箱�
　　实验过程：�
　　1、在多媒体计算机上运行虚拟示波器软件，使用界面当中的X单踪示波，设置“L频率”和“R频率”同为1500赫兹，如图2所示。此时从计算机音箱上产生了频率相同的声波，把它们作为干涉源。�
　　2、把两只音箱位置移开一段距离，围绕音箱走动便可明显地听到声音强弱变化的现象。�
　　3、用声波传感器采集不同位置的声波强度，可看到声波的强弱变化的波形图。�
　　4、用虚拟示波器做声源进行声波波速的测量。
　　实验原理为由虚拟示波器软件在计算机音箱产生同频率声波，该声波在一定范围内衰减很小，将声音传感器置于两音箱对面，可从DISlab软件界面上观察到声波的波形，由于两同频率的声波将产生干涉现象，因此可将传感器在音箱对面来回移动，找到声音强度较小的位置，再移动传感器找到下一个声音强度较小的位置，此两点即为声波干涉的波节节点，两点之间的距离为：d=λ/2，根据速度公式有v=λf=2df，由此可求出声波的传播速度。�
　　实验2：声波干涉现象的实验探究�
　　实验器材：DISLab实验系统、微机、两个440Hz音叉、一个330Hz音叉、橡皮锤、音箱、光具座�
　　实验设计：�
　　设置情景如图1所示，使两音叉相距20-30cm左右，并同时敲击两音叉使其振动，让学生都来探索声音是否随接收位置有强弱变化。再将其中一个音叉换为频率不同的，然后同时敲击，让同学感知声波是否有强弱变化。�
　　实验过程：
　　1、打开数据采集器，接上声波传感器，敲击音叉，让同学观察声波的波形，学习振幅、波长、频率、波峰、波谷的知识。并用屏幕拷贝软件将其波形拷贝下来。�
　　2、使两音叉发生干涉，并移动传感器的位置，让学生观察波形的变化，学生可发现波形的强弱变化，用屏幕拷贝软件将其波形拷贝下来。�
　　3、复习力的叠加原理，将屏幕拷贝的图形对比展示出来，总结出规律。�
　　4、再演示波的干涉，过一会学生会发现声波干涉现象已不能听到了(发生了衰减)。提出根据速度公式，声波速度的公式应是什么?从声波干涉能否求出声波的速度?(学生讨论方案)�
　　5、探讨方案的合理性。介绍由于音叉发出的声波会衰减，不利于测量，使用虚拟示波器软件控制声卡，使音箱发出同频率的声音改进实验。�
　　6、将计算机音箱打开，用虚拟示波器软件调谐左右双声道声音频率同时为200Hz。�
　　7、打开音箱，将传感器置于离音箱最近的一个位置，慢慢远离音响，找到两波干涉的波节，并计算其声音强度的平均值如图3，直到找到强度平均值最接近本底噪声强度的点如图4，记录该点位置。
　　8、将传感器远离该点位置，保持与音箱中点、第一个波节点在一条直线上，慢慢远离音响，找到相邻的波节(如图5)，并计算其声音强度的平均值，直到找到强度平均值最接近第一波节噪声强度的点，记录该点位置。�
　　9、测量两波节点之间的距离，d=0．873m，经计算可得声波波速为：�
　　v=λf=2df=349.20m／s。�
　　10、实验分析：从数据来看，取声波速度(在空气中)为340m／s，所测声波速度为�
　　v=349．20±0．03m／s。�
　　最后，让学生思考，如何测得更准确?从声波公式分析、降低频率，还可以测得更精确。
　　
　　�参考文献：�
　　［1］李渝翔刘艳春.用DIS进行橡皮筋滞后现象的实验研究.物理教学探讨.2006(7):58~59
　　�(栏目编辑王柏庐)
　　1 通讯作者:云南师范大学物理与电子信息学院刘艳春�
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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