敲击时水杯中水位越高音调就越高吗
“水杯装入不同体积的水后,敲击时音调如何
变化的问题”就作者所见,存在3种代表性观点:
其一,杯子盛水后,振动范围主要在水面以上
的杯壁,发出的音调较高.盛水越满,振动范围就
越窄,频率越高n].
其二,敲击装水的瓶子时是由瓶、水振动发出
声音的,而瓶子相同,因此发声的音调主要取决于
装有水柱的长短.水柱长,振动慢,频率小,音调
低.相反,水柱短则音调高[2J.
其三,敲击杯壁不同部位时,发声体是杯壁.
由于下部受到水的压强大,水对杯壁的阻尼作用
大,所以频率减小,音调就低[3].
而本文实验表明敲击杯口和杯壁,音调变化
不同;敲击杯壁不同位置,音调不变.我们发现从
实证的角度得出的结论与...全部
“水杯装入不同体积的水后,敲击时音调如何
变化的问题”就作者所见,存在3种代表性观点:
其一,杯子盛水后,振动范围主要在水面以上
的杯壁,发出的音调较高.盛水越满,振动范围就
越窄,频率越高n].
其二,敲击装水的瓶子时是由瓶、水振动发出
声音的,而瓶子相同,因此发声的音调主要取决于
装有水柱的长短.水柱长,振动慢,频率小,音调
低.相反,水柱短则音调高[2J.
其三,敲击杯壁不同部位时,发声体是杯壁.
由于下部受到水的压强大,水对杯壁的阻尼作用
大,所以频率减小,音调就低[3].
而本文实验表明敲击杯口和杯壁,音调变化
不同;敲击杯壁不同位置,音调不变.我们发现从
实证的角度得出的结论与以往观点不能完全吻
合,有必要做进一步研究.
1 实验方法
在实验研究过程中,笔者采用定性与定量相
结合的方法,对各种情况下敲击水杯发声音调变
化进行了比较系统的实验研究.
1)定性研究
观察水杯装水后音调变化的方法如下:首先
要进行声音的采集,Windows操作系统自带的
“录音机”可以实现此功能.然后将声音回放出
来,一定要能够显示出波形才行,可采Windows操作系统自带的“Windows Media Player”
播放软件.在该软件的菜单中的依次选择:查看
一可视化效果一条形与波浪一波形.由此即可看
到波形,波形越密集表明声音的频率越高.
2)定量研究
为了进一步定量地研究,我们通过“虚拟仪
器”来完成.该软件不需要专门的设备j如实验要
求不高,使用头戴式话筒即可采集声音.敲击物
体,可以显示波形和频率.实验前先用512 Hz的
音叉进行校正,频率计显示516 Hz,误差小于
l%,可以接受.
在实验中进行了如下几项测量:
a.在杯中装水,分别敲击杯口和杯壁,改变杯
中的水位,从空容器开始,每次水深增加i cm,测
量各次发声频率.
b.在杯中装入米粒,重复上述步骤.
c.在厚壁小口牛奶瓶中装水,增加测量向瓶
内吹气时的发声频率,重复上述步骤.
d.摩擦高脚酒杯的杯口,测量发声频率,重复
上述步骤.
e.在杯中装人不同深度的水,敲击杯子侧壁
的不同部位,如图l所示的1~6各部位,测量发
声频率.
在敲击杯子时,敲击力度不能太大,否则会损
坏杯子;声音振幅衰减很快,频率计只在峰值时有
示数.重复几次,可看到示数相同.在实验过程中还使用了屏幕录像软件.该软件可对全过程进
行录像,并且输出为一段视频,也可输出为每一帧
图片.本实验过程中录像的采样频率为10帧/s,
从中看出声音衰减很快,大约0.3 S后波形失真.
为了减少敲击的杂音,可用橡胶槌敲击,并且
把杯子放在稍有弹性的鼠标垫上.
2 实验结果
令杯中物质深为h,向下敲击杯口时测得的
频率为^,敲击杯壁时测得的频率为,b,向瓶内
吹气时测得的频率为上.
1)向杯子中装水,分别敲击杯口和杯壁,测量
结果见表1.
表I杯中装水时。
敲击杯口和杯壁的实验数据
775
810
925
990
l 205
1 356
l 720
1 720
1 720
l 701
1 636
1 507
2)向杯子中装米,分别敲击杯口和杯壁,测量
结果见表2.
表2杯中装米时。
敲击杯口和杯壁的实验数据
775
810
839
862
925
947
1 720
l 720
I 720
l 720
I 720
l 720
3)向厚壁小口牛奶瓶装水,分别敲击瓶口、侧壁和向瓶内吹气,测量结果见表3.表3敲击杯口、侧壁和吹气的实验数据
h/cm fk/Hz 。
fh/Hz|t/Hz
344
366
387
430
452
516
344
366
387
430
452
516
344
366
387
430
452
516
4)摩擦高脚酒杯的杯口,测量结果见表4.
表4摩擦杯口的实验数据
h/cm 氏/Hz
969
950
927
878
808
715
5)敲击杯子侧壁的不同部位,发声频率测量
结果见表5.所采用的杯子深度是11.5 cm,表5
中的敲击部位z是以水面为坐标原点,向上为正
方向.
表5敲击侧壁不同部位的实验数据
h/cm x/cm {|Hz
5
5
5
10
10
i0
—2
O
2
—7
—5
—3
2 174
2 174
2 174
1 593
1 593
1 593
3结论与讨论
根据反复实验和大量实验数据,得出下面的
一些结论:
1)敲击杯口时,装水越多,发声频率越高.
2)敲击杯子侧壁,要视容器和内容物而定,不
能一概而论.
3)敲击水杯侧壁时,发声频率只与装水多少
有关,而与敲击部位无关.
不过这些实验结果与已有的关于此现象的解释存
在较大争议。
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