一种声驻波演示装置

黎 蕊，代 伟，龚韩莉

(西华师范大学 物理与空间科学学院,四川 南充 637002)

两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的波叠加时形成的波叫作驻波。驻波是自然界一种十分常见的现象，生活中无处不在，例如水波、乐器发声、树梢震颤等都与驻波有关。驻波是物理教学中比较重要的一部分内容[1]。驻波是一种常见的物理现象。各种乐器的发声原理都是和驻波相关的。比如常见的弦乐器和管乐器分别是利用了弦上的驻波和管中的驻波进行发声。由于驻波应用的广泛性，国外的很多高中物理教材都把关于驻波的理论和应用列入其中。声音是一种可以听得到，却摸不着的物质，同样声驻波现象也十分常见，比如：任意两面平行的墙壁之间都会有声驻波现象的产生，此外，将耳朵放在保温杯的瓶口会听到里面嗡嗡的声音，这也是声驻波现象。在实际的教学过程中老师如果没有直观的演示装置只用抽象的语言来描述抽象的声驻波现象学生不易理解。那么，怎样得到两列沿相反方向传播的波，而且这两列波的振幅和频率都相同呢?在实践中一般是利用了波的反射。比如说弦上的驻波，当声波传播到固定端时会发生反射，反射波与入射波传播方向相反，振幅和频率都相同。因此，入射波和反射波的叠加形成驻波[2]。对于管中的驻波，当声波传播到闭口端时同样发生反射，入射波和反射波叠加形成驻波。

声驻波是纵波学生理解起来有一定困难，要使学生很好地理解声波的知识往往需要借助相关教学仪器，但现有的声驻波演示装置很少且效果不太好，操作不够方便，因此很难吸引学生的注意力，为了解决这一难题以便更好地吸引学生的兴趣，提高教学效果，对现有的声驻波演示装置进行了改进。新的演示装置不需要信号发生器，只需要在手机上下载信号管理器App就可以得到需要的音频信号，该软件所有的控制都可通过手机实现，可以动态改变声音信号，然后将音频信号通过功率放大器放大后加到扬声器上，扬声器使密闭有机玻璃管中的泡沫颗粒振动就可直观地观察到声驻波现象。新设计的声驻波演示装置成本低，结构简单，制作材料易得，加之仪器外形美观，很有创意，更能吸引学生的注意力，使学生对驻波是如何形成的理解起来更加容易。同时该仪器还能增强实验的趣味性和直观性，从而培养学生对科学的研究兴趣，激发学生的创新意识和创新精神。

1 声驻波演示装置的工作原理

2个周期为T，波长为λ，振幅为A的简谐波沿着x轴向相反方向传播。

沿x轴正方向传播的波称为右行波，波动方程为

y1=Acos2π(t/T-x/λ)

(1)

沿x轴负方向传播的波称为左行波，波动方程为

y2=Acos2π(t/T+x/λ)

(2)

合成后的驻波方程为式为

y=y1+y2=2Acos2π(x/λ)cos2π(t/T)

(3)

可见，合成后的波上的任何一点都在做同一周期的简谐振动[3-5]。

2 声驻波演示装置的结构

声驻波演示装置如图1所示，将一圆形有机玻璃管粘接在两个有机玻璃板支架上，右边支撑板与有机玻璃管密封粘接，左边支架套接在有机玻璃管外面并用亚克力胶水粘好。扬声器的喇叭直径大小要和有机玻璃管直径大小配套购买。本装置购买的有机玻璃管的外径为125 mm，壁厚5 mm，长800 mm。喇叭尺寸为6.5寸，功率80 W，阻抗4 Ω，该喇叭的喇叭内口刚好可以套在125 mm的有机玻璃管外径上。在安装喇叭之前将适量的球形小泡沫颗粒装于有机玻璃管中，然后将喇叭用螺丝固定在左边支架上，保证喇叭和有机玻璃管连接起来后形成一个密闭的空腔不漏气。音频信号通过手机下载信号管理器App获得，该装置通过手机App上的信号发生器软件提供音频信号。音频信号经过功率放大器将信号放大后加在扬声器上，扬声器使有机玻璃管中的空气振动进而使管中的泡沫颗粒振动。为了能观察到比较明显的实验现象本装置选用12 V，100 W大功率数字功放车载低音炮功放，功放由可调直流电源供电。演示装置通过扬声器让声波在有机玻璃管中传播，当声波传到机玻璃管闭口的另外一端时发生反射，于是入射波和反射波在有机玻璃管中叠加形成驻波，在驻波的作用下有机玻璃管中的泡沫颗粒重新排布，模拟出驻波的波性特征，这样在管子外面就能直观地看到声驻波这一抽象的实验现象。

图1 改进后的声驻波演示装置

3 声驻波演示装置的优点

如图2所示是某种声波的波形演示效果照片。

图2 实验现象

该装置的优点在于：一是演示装置用有机玻璃管和亚克力板制作，二者可用亚克力胶水粘接而成制作起来容易，加之管子直径较大且透明便于观察，由于管子完全密封管内泡沫振动不受外界影响，排除了外部干扰；二是通过手机App下载信号发生器供演示装置使用就不需要外部信号发生器硬件，成本低。演示时通过手机就可以非常方便地调节信号的频率和大小，操控起来非常方便，如果功放信号采用蓝牙接收器接受还可通过手机无线控制，这样使仪器的操作非常精确和简单。学生也能用自己的手机下载信号管理器App或播放一首歌曲利用该装置进行实验，观察歌曲播放时什么时候泡沫颗粒振动强，什么时候振动弱，加强了师生之间的互动，增强了学生学习的主动性；三是实验装置的制作材料获得容易仪器制作成本低，加工制作简单，实验现象明显，便于学生观察，这样更有助于学生对声驻波的理解。

5 结 语

物理是一门以实验为基础的学科，实验对于物理教学来说是最基本、最重要的教学方法和手段。同样物理作为一门源于生活的学科，它与的生活息息相关，抽象复杂的物理现象可能会使对于物理学科的学习产生畏难情绪，所以对于创新人才需求量越来越大的今天，为了培养创新人才在物理教学过程中老师多设计制作一些创新实验教具用于物理教学，不但可以激发学生学习物理的兴趣还能培养学生的创新意识。改进后的声驻波演示能够很好地实现上述目的，该教具不但新颖而且实验现象明显，操作简便，还可让学生参与其中这样可大大激发学生的兴趣。利用该教具可以把抽象的物理现象直观地展示在学生面前也能很好地突破教学重难点，提高教学效果。