吳廣國 黃琭琰 鄒斌

摘 要：實驗選用功率輸出的正弦交流信號驅(qū)動兩只完全相同的小喇叭，產(chǎn)生的兩列相干聲波在空間中發(fā)生干涉形成干涉的聲音信號，再利用拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號，輸入示波器，得到可視的聲波干涉圖像，讓學(xué)生可以在視覺上觀察到聲波干涉現(xiàn)象。由所得圖像結(jié)合波干涉加強(qiáng)和減弱條件反推計算得到聲波波長，定量驗證了縱波干涉現(xiàn)象的存在，并計算出聲波在北京室溫、常壓下的空氣中的傳播速度為349.4 m/s。

關(guān)鍵詞：聲波干涉；聲波可視化；聲速測量

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-0051-2

在高中物理教材選修3-4機(jī)械波的干涉章節(jié)中，采用了水波這種生活中常見的橫波作為例子，展示了兩列橫波在水槽中的干涉。在縱波學(xué)習(xí)中，給出的縱波例子是學(xué)生無法看見的聲波，導(dǎo)致學(xué)生無法了解得很透徹[1]。

本實驗中，通過搭建聲波可視化實驗儀器，讓學(xué)生通過示波器看到聲波的疊加與干涉。并利用機(jī)械波干涉加強(qiáng)與干涉減弱條件進(jìn)行計算，求出聲波在空氣中的傳播速度。

1 實驗設(shè)計

實驗選用功率輸出的正弦交流信號驅(qū)動兩個完全相同的小喇叭，將電信號變成聲音信號，兩列聲波在空間中發(fā)生干涉，形成干涉的聲音信號，再利用拾音器將干涉的聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號，輸入示波器，得到可視的聲波干涉圖像。實驗的主要器件固定在長方形亞克力板上，并且在亞克力板上設(shè)計了兩條平行的1 m長的亞克力管道。兩根亞克力管道上均套有盒形移動裝置，移動裝置內(nèi)分別固定好兩個小喇叭，兩個聲源可以在管道上水平移動，盒形移動裝置在喇叭振動紙盆一側(cè)開口。兩根亞克力管另一端正中固定拾音器。（圖1）

1.1 聲源選擇

本實驗采用同一個功率輸出正弦交流信號作為信號源，信號源通過輸入變壓器后再輸入到小喇叭。這里使用輸入變壓器不是為了變壓，而是利用電感線圈的自感現(xiàn)象使驅(qū)動信號更加穩(wěn)定，使得最后能在示波器上呈現(xiàn)穩(wěn)定的波形圖。我們使用不同的正弦交流信號頻率分別驅(qū)動兩個小喇叭，再利用拾音器將拾得的信號輸入到示波器中，對顯示的信號強(qiáng)弱進(jìn)行觀察，當(dāng)顯示的信號振幅達(dá)到最大時，此時輸入的正弦交流信號頻率就是小喇叭的固有頻率。實驗發(fā)現(xiàn)，兩個相同型號的小喇叭固有頻率略有差異。但因為小喇叭的振動是受迫振動，所以當(dāng)兩個小喇叭振動頻率相同、振幅又差不多時，依然可以得到很好的相干聲源。為了獲得更明顯的干涉加強(qiáng)和干涉減弱信號，同時對兩個小喇叭進(jìn)行驅(qū)動，連續(xù)改變輸入正弦信號的頻率，找出一個合適的頻率使得二者產(chǎn)生的聲源振動幅度幾乎相同。最終，我們選取頻率的正弦交流信號作為信號源驅(qū)動兩只小喇叭。

1.2 將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號

實驗時，先外接功率輸出信號源驅(qū)動兩只喇叭，并用6 V直流電源接入拾音器使其正常工作，小喇叭正常發(fā)聲后，拾音器就可以接收到聲音信號，接收到的聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)绞静ㄆ骷纯傻玫礁缮婧蟮穆暡úㄐ?。移動其中一只小喇叭，就可以在示波器上觀察到聲波信號的相干增強(qiáng)和減弱。

1.3 由聲波干涉信號圖像推算得出聲波波長

實驗在亞克力管道兩側(cè)的亞克力板上都固定放置有毫米刻度尺，移動的聲源相對于另外一只聲源的水平距離可以近似看作是兩列聲波的波程差，可通過讀取亞克力板上的刻度尺數(shù)據(jù)確定該波程差。但是，在實驗過程中，聲源的移動范圍不能過大，具體原因分析如下。

如圖2所示，S1、S2分別表示聲源位置，P為拾音器所在位置。兩列聲波干涉加強(qiáng)時，波程差Δr需要符合波的干涉條件：

因此，只有聲源的移動范圍較小，即 θ 角度較小時，才可以將波程差近似為兩個小喇叭的水平距離差。聲源移動造成的干涉圖樣變化會在示波器上實時顯示，通過觀察干涉圖樣可以確定干涉加強(qiáng)、減弱點的位置，讀取相應(yīng)的刻度，得出兩列聲波的波程差，代入機(jī)械波干涉加強(qiáng)、減弱條件公式即可得出聲波波長。圖3是實驗過程中測得的聲波干涉加強(qiáng)（或減弱）時聲源的位置及示波器的一張波形圖。

由以上實驗，根據(jù)波干涉加強(qiáng)和干涉減弱的條件，求出聲波波長λ=10.43 cm。

1.4 計算聲音在空氣中的傳播速度

根據(jù)1.3中的實驗數(shù)據(jù)，求出聲波在實驗室空氣中的波長λ=10.43 cm，由實驗中驅(qū)動小喇叭的功率輸出信號源輸出的正弦交流信號頻率f=3.35 kHz，代入公式v=λ·f=349.4 m/s，得到實驗室中聲波的傳播速度。

2 結(jié) 論

學(xué)生通過實際操作聲波干涉實驗，對縱波及縱波的干涉會有更清晰深刻的認(rèn)識，并能夠理解無論是橫波還是縱波都能夠發(fā)生干涉，干涉現(xiàn)象是波具有的特性。實驗由波干涉加強(qiáng)和減弱條件計算得到聲波波長，并計算出在室溫常壓下聲波在空氣中的傳播速度為349.4 m/s。本實驗使學(xué)生對機(jī)械波干涉與干涉條件有了更準(zhǔn)確、更深入地認(rèn)識。

致謝：特別感謝北京師范大學(xué)附屬中學(xué)彭夢華老師在實驗儀器設(shè)計方面給予的技術(shù)指導(dǎo)和支持；特別感謝北京市第166中學(xué)張治祿老師在器材制作方面給予的指導(dǎo)和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]李秀玲，孫旭春.聲波干涉實驗的設(shè)計與演示[J].物理通報，2006（2）：60-60.

[2]匡莉，吳廣國，鄒斌.聲波干涉現(xiàn)象“可視化”的實驗研究[J].物理教師，2017，38（3）：48-51.

（欄目編輯 王柏廬）