声波干涉演示实验研究

绵阳市第三中学 黄体刚 621000

摘要：声波干涉是中学物理教学中演示纵波干涉现象的重要实验，目前仍然有教师采用音叉演示纵波干涉。但是，利用现代信息技术进行简单实验分析可以证明单个音叉振动实验跟声波干涉没有任何关系。利用现代信息技术，可以用更加简单直观的方法进行声波干涉实验演示。

关键词：声波干涉、音叉、演示实验

正文：

一、研究源起及现状

干涉现象是波的重要性质之一，是机械波和电磁波知识体系中的重要内容。现行高中物理教材中涉及的实验有水波的干涉实验和光波干涉实验。这两组实验都只能展示横波干涉。声波是我们现实生活中最熟悉的纵波，如果能够进行实验感知声波的干涉，就能让学生更加完整地认知波的干涉现象。

教材在声波干涉实验的呈现方式上已悄然发生改变。最早的做法是，敲响音叉，围绕因叉走一圈，感受声音变化^【1】。随后几年的教材删掉了声波干涉实验。再到后来改成在操场上听双喇叭播放音乐，感受声波干涉^【2】。再到目前教材在操场上行走，听双喇叭播放1kHz声音感受声波干涉^【3】。我们能够感受到教材编写者希望有实验能展示声波干涉的愿望。在目前使用的各版本教材中，还没有提供一种简单有效的方法进行声波干涉实验。不少教师仍然使用音叉振动进行实验演示。这种实验方法除了效果很差以外，原理上也不够科学。

2017年6月1日，在中国知网进行文献检索，物理学科相同主题文献30篇。2/3以上文献发表于10年以前。可能由于早年技术原因，多数文章侧重理论分析，结论不尽相同或相互矛盾。一部分文章进行了音叉干涉实验改进。也有文献对音叉干涉实验提出质疑，但是基本没有进行实验验证。

二、实验研究

利用音叉演示声波干涉，前提条件是把两个振动的叉股看成频率相同且相位相反的两个声源。我们所要解决的问题是：能不能用单个音叉简单有效演示声波干涉？

实验器材：440Hz音叉一支，叉股宽度17mm，叉股间距17mm；523.2Hz音叉一支，叉股宽度8.5mm，叉股间距9.5mm；261.6Hz音叉一支，叉股宽度8.5mm，差股间距9.5mm；小型摄像机；

分析软件：讯连科技威力导演 15 (64 位)（powerdirector15）

软件平台：windows 10专业版

实验过程：

1、将音叉用弹性绳竖直悬挂，敲响音叉，旋转，在距离音叉10cm处，用摄像机拍摄旋转中的音叉。（图一）帧率25帧/秒。

分别拍摄440Hz音叉、440Hz音叉单侧叉股加铁环、523.2Hz音叉、261.6Hz音叉鸣响视频。

2、将拍摄视频导入视频编辑软件，放大音频信号，选取音频信号稳定且时长不少于一个周期的信号进行逐帧分析。

3、用windos10截图工具抓取分析片段图片进行对比分析（图二）。

实验现象和分析：

1、在鸣响的音叉与叉股振动方向平行的平面内有两个较强的振动加强区和两个较弱的次加强区，四个振动减弱区，如（图三）。所以以前有文章根据理论分析会出现8个甚至更多振动加强区，是不符合实际情况的。同样，叉股连线中垂线方向出现最强区也是不符合实际的。^【4】

2、对比图二（a）和图二（b），在音叉单侧叉股加上铁环后，振动加强和震动减弱的区域分布情况基本不变。如果强弱音区分布是声波干涉现象，在其中一侧叉股加装铁环后，由于改变了频率，干涉现象就应该消失。但事实恰好相反。所以，音叉振动时，周围形成的振动强弱分区应该和声波干涉无关。

3、根据干涉原理可知，频率越高的声源发生干涉时，相邻振动加强（或减弱）区域间的距离应该越小，在相同空间区域内应该有更多的振动加强和振动减弱区稳定的交错分布。然而，对比图二（a）、图二（c）、图二（d）可以发现，不同频率的音叉在鸣响时形成的振动强弱分布区域分布情况几乎是一样的，跟频率完全无关。所以，同样可以说明，振动加强和减弱不是声波干涉产生的。

实验结论：

在较近区域观察，音叉鸣响时在叉股附近空间所形成的强弱音区分布。其形成原因与声波在空气中的传播原理和音叉本身的结构形态有关。因为声波是压强波，声源振动时必须使附近的空气有明显的压强改变，才能有效辐射能量。振源面积越大越容易辐射能量^【5】。因为在图三x轴方向上，叉股有较大的宽度或面积，所以有较多能量向外辐射，形成振动较强的区域。又因为叉股间距较小，在叉股振动时，差股间也会形成明显的压强改变，在图三y轴方向也会有较强的声波输出。因此，音叉附近的空间会有四个声波较强的区域和减弱区交错分布。但是这种分布情况跟声波干涉无关。在距较远区域观察，叉股间距近似为零，整个音叉应视为单一声源，也不可能形成干涉现象。

另外，音叉振动过程中声波振幅随距离和时间快速衰减，也无法有足够的空间和时间体验强弱音区分布。

通观以前相关文献，实验研究不够准确的原因大致如下：

1、理论分析中普遍较少考虑观察距离和音叉本身形状带来的影响。

2、缺少科学手段验证理论分析结果。

综上所述，用音叉振动来演示验证声波干涉是不恰当的。

三、声波干涉实验改进

机械波的干涉条件为，两列波（源）的频率以及振动方向必须相同并且有固定的相位差^[4]。中学阶段只研究相位相同和相位相反两种情况。声波干涉现象体现为在两列声波叠加的区域会形成强弱音区交错稳定分布。

其实，在现在的技术与硬件条件下，不需要特殊的设备也可以轻松体验声波干涉现象。

实验准备：

教室用多媒体电脑一套（要装有两只音箱），音频编辑软件cool edit pro（或类似软件）。

实验方法：

1、在电脑中安装音频编辑软件；

2、打开软件，新建单声道音频文件。点击“生成”、“音调”，在菜单中选择基础频率2000Hz，“调制”和“调制频率”均设定为0，“调味”选择“正弦”波形，“持续”时间设定为60s或以上，点击“确定”，得到单一频率的正弦声波。

3、点击播放按钮，播放声音。只需要学生左右摇摆身体，就能明显感觉到声音强弱的变化。关闭一个音箱，再摇摆身体，发现声音强弱不变。

4、改变音频频率分别为3000Hz、4000Hz、5000Hz、6000Hz……重复实验，会发现，声音频率越高，声音强弱变化的区域越密集。

为确保实验效果明显，一定注意如下几点：

第一 ，选择单声道音频，才能让两个音箱鸣响时频率相同、相差恒定；

第二，音箱间距达到或超过波长4倍。比如所用声波频率为2000Hz，则音箱距离最好超过1m。

第三，因为空气中声速约为340m/s，根据公式v=λf，频率f ≥2000Hz时，波长λ≤17cm，相邻加强区间距d≥λ/2=8.5cm，在教室空间内，声波干涉强弱分布较密集，学生更容易有明显体验。但声波频率太高，观测者耳朵会比较难受。

第四，在演示单只音箱鸣响不能产生干涉现象时，如所用音箱内有多只喇叭存在，或单只喇叭面积太大，依然会发生声波干涉。这时需要将音响更换为面积较小单喇叭音箱，才能破坏干涉条件。如果能够用手机专用内置小喇叭进行实验，效果会非常好。

这种实验方法，几乎不要求有特殊设备，演示方便，效果良好。如果在此基础上作进一步改进，甚至可以进行声波波长测量或波速测定的定量实验分析。

四、结语。

第一，不要再用音叉演示干涉现象了。

第二，在现代教育技术手段下，是可以轻松演示声波干涉的。

参考文献：

【1】高中物理必修第一册[M].第2版.人民教育出版社,1995:158

【2】高中物理必修第二册[M].第2版.人民教育出版社,2000:154

【3】高中物理选修3-4[M].第1版.教育科学出版社,2006:40

【4】张景泉.音叉的声波干涉[J].辽宁师范大学学报:1990(1):36.

【5】漆安慎、杜婵英.力学基础[M].第1版.高等教育出版社，1982：492～493.

[6]漆安慎、杜婵英.力学基础[M].第1版.高等教育出版社，1982：469～470.