音叉负载金属环对其振动频率影响的实验研究＊

李会平 王昆林 沙育年

（楚雄师范学院 云南 楚雄 675000）

音叉振动所发出的声波是纯音，其纯音的频率与叉股的长度、质量有关.一般而言，其音叉的频率是固定不变的［1］.由于某种实际的需要，要改变音叉的频率，可在音叉叉股上套上金属环作为负载.就可改变音叉振动的频率，负载在叉股上的位置以及音叉单股负载或是双股负载，对其音叉的振动频率肯定是有影响的.对其影响的规律性进行探索研究是很有意义的.

1 研究方案设计

引入DIS数字化信息系统进行检测音叉的空载频率及负载频率［2，3］.分别使音叉空载、单股负载、双股负载、移动负载在叉股上的位置，敲击音叉，使音叉振动发出声波.由DIS系统中的声传感器采集信号，通过数据采集器，DIS系统处理数据显示出相关图形，得到相应的频率，从而进行相关性探索研究.装置图见图1.

图1 研究系统结构装置示意图

2 音叉空载时的频率测定

选用一只标称频率为440.0Hz的标准音叉，将其固定在音叉共鸣箱上.调整好DIS数字化信息系统，橡皮小锤敲击音叉叉股，使其振动产生声波.通过DIS系统可在其电脑屏幕上显示出稳定的声波振动图像［4］.见图2，此波形图横坐标为时间，纵坐标为振动的位移.从图中可知音叉的振动所产生的声波为单一频率的纯音，从图形横坐标上直接截取读出3个振动周期的时间间隔

图2 音叉空载时振动波形图

则音叉振动周期为

以音叉标称频率440.0Hz为最佳近真值，则

3 音叉单叉股负载金属环频率变化研究

将质量为9.0g小金属环套在音叉单叉股上，作为其质量负载.以叉股最下点为起点，向上移动金属环，每次移动0.5cm，测定出对应的频率.

研究负载向上移动的距离与音叉振动频率之间的关系.

其实验数据见表1.

表1 单叉股负载实验数据表

为研究的方便将以负载位置为横坐标，以振动频率为纵坐标.作出图线，见图2，结合数据表进行分析研究.

图3 负载位置 －频率变化图

从数据表和图线可看出随着负载位置的上升，音叉的振动的频率下降，但变化不是均匀的.

当负载位置由零增加到1.5cm，频率减小的变化不太明显.由1.5cm增加到6.0cm，频率减小的变化明显.由6.0cm增加到9.0cm，频率减小的变化非常明显.由于数据采点不是足够多，数据变动的步长也不可能太小，从而使图1中的曲线不是太平滑，但是总体的趋势还是表达清楚了.即随着负载金属环向上移动，振动频率降低，但不是线性变化，当负载金属环移动到音叉单股的顶端时，其音叉振动频率是急剧下降的.

4 音叉双叉股负载金属环频率变化研究

4.1 负载金属环双环向上同时移动

将两个质量同为9.0g小金属环分别套在音叉双叉股上，作为其质量负载［5］.将两叉股上的负载金属环以0.5cm距离为移动步长，同时向上移动，分别测出负载不同位置的音叉振动频率，其相应实验数据见表2.

表2 双叉股负载实验数据表

依据表2中的数据，做出随负载位置变化音叉振动相应的频率图.见图4.

图4 负载双环上移位置 －频率变化图

根据表2数据结合图4可看出，负载金属环向上同时移动时，音叉振动频率随之衰减.特别是双环移动到5.5cm位置以上时，音叉振动频率急剧衰减.

4.2 负载双金属环单环移动

将两个质量同为9.0g小金属环，一个固定在一支叉股的8.0cm处，另一个金属环在另一支以0.5cm为移动步长向上移动，测出负载在不同位置相应的音叉振动频率，其相应的实验数据，见表3［6］.

表3 双叉股负载单环移动实验数据

依据表3中的数据，做出随负载位置变化音叉振动相应的频率图.见图5.

图5 负载双环单环位置 －频率图

根据表3数据结合图5可看出，单叉股金属环负载固定，另一叉股负载向上移动，其相应音叉振动频率也是衰减的.但衰减的变化较为均匀，从图5上可看出，音叉振动频率的变化无明显的奇点.而且，整个曲线较为平滑.

5 分析比较

从以上实验数据和图像比较可看出，负载双金属环单环移动，其音叉的振动频率变化较为均匀，比较图3，图4和图5可看出，图5的曲线较为平滑，近似为线性.

6 结束语

由以上研究分析比较可知，对于标准音叉是可以改变其振动频率的.在音叉叉股上负载金属环是将标准音叉频率变小的一种方法，在音叉的两个叉股上负载金属环，其中一个负载金属环固定，另一个金属环向音叉顶端移动，到不同的位置，相应音叉振动频率改变近似是均匀平滑的.根据实际情况的需要，可参照此方法进行.

1 易其顺，蒋志年，闭剑锋.利用李萨如图形测量音叉的频率.大学物理实验，2005（4）：36～37

2 李定梅，甘奕文，封玲.基于计算机实测技术的音叉固有频率测量.物理实验，2010（11）：44～46

3 侯俊杰，邱泰光，王昆林.基于DIS系统测定自制音叉振动频率的研究.物理通报，2012（9）：75～77

4 施应恒，王昆林.基于DIS系统对弹簧牵动磁体振动产生电磁感应对应参量研究.大学物理实验，2013（3）：79

5 陈莹梅，陆申龙.音叉的共振频率与双臂质量的关系研究及其应用.物理实验，2006（7）：6～9

6 周丽，蒋亚玲.用计算机研究音叉共振频率和双臂质量的关系.大学物理实验，2007（3）：78～81