小孔吸收声音的实验

　　摘要：这个小孔吸收声音的实验取材简单，“小孔”和发声体相距很远时效果也非常显著。该实验不需要发声体有非常大的响度.不会妨碍别人的正常工作和学习。
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　　关键词：小孔；吸收；声音；矿泉水瓶；音箱
　　中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）2（S）-0058-2
　　1 研究背景
　　在讲授教科书《噪声的危害与控制》的内容时。笔者引用了课本上的例子：为了防止噪声产生，摩托车排气管里安装有消声器；为了阻断噪声的传播，穿越居民区的高速公路两旁安装有隔音板……这时有学生问：老师，消声器是怎样防止噪声产生的？隔音板是怎样阻断噪声传播的？你能详细解释一下吗？
　　笔者就这位同学的提问做了一些简单介绍：消声器是用一些多孔的材料制成的，这些多孔的材料能吸收声音。隔音板也是用一些多孔的材料制成的，隔音板除了能反射声音，同时还能吸收声音。一个平时爱问“为什么”的同学又接着问：小孔可以吸收声音？老师，你能证明给大家看吗？但是笔者要怎么证明给学生看呢？这是一个令人头痛的问题。
　　2 设计思路
　　声音是由物体振动产生的。发声的物体会带动周围的空气振动，形成疏密相间的波动（声波），向远处传播。声波是可以传递能量的，例如放在扬声器旁的蜡烛火焰会被声波“吹”弯。我们身边有“小孔”的物体很多，譬如去掉瓶盖的矿泉水瓶。如果把没有瓶盖的矿泉水瓶放入一个声音噪杂的环境，声波会通过瓶口进入瓶内，由于瓶口比瓶身小很多，声波会在瓶内不断反射，由于受到空气的摩擦和粘滞阻力。以及使矿泉水瓶作机械振动，声能最终会转变为空气和矿泉水瓶的内能。
　　也就是说。如果矿泉水瓶的“小孔”吸收了声音，那矿泉水瓶就是吸收了能量；如果矿泉水瓶吸了能量的话，那矿泉水瓶一定会发生振动。但是如果矿泉水瓶的振动很小的话。就不容易观察到，那如何才能使矿泉水瓶的振动非常显著呢。顺着这样的思路，笔者经过多次失败后最终成功设计出“小孔吸收声音”的实验，并在课堂上取得了非常满意的效果。
　　3 实验设计
　　3.1 实验器材
　　一个596ml的娃哈哈矿泉水瓶，一对产品型号为LXB-203D的联想商用音箱（该音箱为小音箱，质量小于1.5kg），笔记本电脑一台。
　　3.2 实验方法
　　用笔记本电脑播放一些强烈的音乐。如摇滚、重金属一类的歌曲（轻柔的音乐收效甚微）。旋转音量调节旋钮调节音量（以不干扰隔壁班级上课为宜），然后旋转低音旋钮把低音调到理想位置。接下来，用手握住盖子已拧紧了的596ml的娃哈哈矿泉水瓶，并把该矿泉水瓶放在型号为LXB-203D的联想商用音箱附近，瓶口正对着音箱，这时会发现瓶身并不振动，如图1所示。尔后，把矿泉水瓶瓶盖取下，再用手握住该矿泉水瓶并把瓶子正对音箱，这时会发现瓶身在振动，而且振感很明显，如图2所示。然后逐渐远离音箱，直到10m开外都能明显感觉到该矿泉水瓶的瓶身随着音乐的起伏而不停地振动。
　　教室里所有的同学每人拿一个596ml的娃哈哈空矿泉水瓶，在教室的任意位置，拧上瓶盖，每个矿泉水瓶都不振动，然而一打开瓶盖，所有的瓶子都发生振动。
　　3.3 买验说明
　　很多读者会产生这样的疑问，为何笔者选用596ml的娃哈哈矿泉水瓶。而不选用350ml的娃哈哈矿泉水瓶或者其他的饮料瓶？为何笔者选用型号为LXB-203D的联想商用音箱，而不选用其他的音箱？
　　这里需要特别说明。并非任意的饮料瓶和任意的音箱搭配在一起就能取得明显的实验效果（尤其二者相距较远时）。笔者认真总结经验后发现，决定这个实验成败的条件有五个：一是音箱要可以调节声音的响度，这样声音可以传很远；二是音箱要可以调节声音的频率：三是不能选用有一个独立低音炮的音箱：四是饮料瓶的瓶壁要很薄且弹性好，这样振动时可以有比较大的振幅：五是经过低音调节后音箱发声的频率要与饮料瓶的频率很接近。
　　这五个条件中最关键的是第五个。在选取饮料瓶和音箱的时候。一定要让饮料瓶的频率和音箱的发声频率很接近，这样的话饮料瓶可以从周围空气中吸收更多的声能，发生共振。发生共振时，饮料瓶的振幅最大，易于观察。麻烦的问题是，我们只有反复不断的重复实验，才能找到最理想的饮料瓶和最理想的音箱。
　　这个实验要在非常安静的环境下进行，并且心要很平静，然后把全身的注意力都集中在握住瓶身的手上。此实验不但可以说明小孔能吸收声音，同时能说明声音可以传递能量。如果稍加改进，把瓶底去掉，套上一层薄薄的橡皮膜，还能演示人耳在听到声音时鼓膜会发生振动。
　　4 实验的简化及拓展
　　4.1 简化实验
　　很多同学回家后重复笔者的实验，发现很难成功再现笔者的实验。的确，实验器材虽然常见，然而要找到频率相近的饮料瓶和音箱的确很困难。这样的话，要推广这个实验也不容易。笔者认真思索之后想到了简化实验的方法。
　　实际上，小孔吸收声音的实验完全可以不用音箱，只需用一个596ml的哇哈哈矿泉水瓶。方法是这样的。几个手握矿泉水瓶的同学凑在一块交谈，在交谈的过程中，会发现矿泉水瓶时不时的振动一下。有的同学问这是为什么呢？原因其实很简单，我们在交谈时，发出的声音频率总是在变化的，当频率与矿泉水瓶的频率接近时，矿泉水瓶吸收了更多的能量发生了共振。
　　4.2 拓展实验
　　有的同学又问。怎样才能使同一个款式的矿泉水瓶吸收到不同频率的声音呢？矿泉水瓶的振动频率和矿泉水瓶中的空气柱长度是有关联的。笔者让同学们把596ml的矿泉水瓶放置于课桌上，嘴唇在瓶口25cm的上方或者更高一点的地方（之所以嘴唇离瓶口尽量高一些，是为了避免因人在发音时把气流吹进瓶子。影响实验的准确性），然后两只手掌夹住瓶身，用口发出1、2、3、4、5、6、7、i这八个音调。
　　有些同学得出的结论是只有2能使矿泉水瓶振动，而有的同学说只有3才能使矿泉水瓶振动。为何出现这种差异？笔者分析可能有两个因素使。一个是因为我们缺乏必备的音乐素养，发音时音调不准，另一个是我们在发音时音高不一样。这两个原因都是有可能的，这样的话就算是“同一个音调”频率也不相同。因此我们的实验结果是有很大误差的。尽管如此，只要做实验的是同一个人，就会发现这八个音调并非所有音调都能使矿泉水瓶发生振动。
　　笔者又让同学们加点水进去。再发出八个音调，结果同学们发现，只要往瓶子里适当的加水，就只有另一个音调才可以使矿泉水瓶振动，再适当加水，又会发现是其他的一个音调才会使矿泉水瓶振动，只要水量合适，这八个音调中的每一个音调都可以使矿泉水瓶发生振动，如图3所示。
　　用一些矿泉水瓶。并在矿泉水瓶中加入不同高度的水，把这一些矿泉水瓶组合在一起就可以吸收不同频率的声音。
　　本实验给学生留下深刻印象，永远难忘。
　　参考文献：
　　[1]义务教育教科书――物理八年级上册[M]北京：人民教育出版社.2013.
　　[2]朱红.声学、光学中的实验改进与创新[J].物理教学探讨，2012，（1）：57.
　　（栏目编辑 王柏庐）