光纤传导共振球

谭璟升 王林海 覃治航

2020年5月的一个中午，广东省东莞市虎门大桥频繁发生桥面抖动现象，桥面一度被封锁。专家到现场查勘后得出结论：这是桥梁领域常见的涡振现象，与不久前加设在桥面上的水马有关。

涡振现象一般指涡激振动或涡激共振，是一种与风有关的自然现象，当空气等流体通过物体后出现涡旋脱落，这些漩涡脱落的频率会与桥梁的固有频率形成共振。那么什么是共振？共振原理是什么？如何产生共振？我们对此产生了浓厚兴趣。

经过一番了解，我们萌生了设计制作一个能够人为制造共振的装置——光纤传导共振球，它能够呈现明显的共振现象，还能显示具体的共振频率，便于同学们理解共振原理，从而激发大家学习物理的兴趣。

●准备材料

LED红灯组合（放在共振球里）、12V电源适配器、功放板（带蓝牙功能）、共振球（3D打印，轻且硬度能承受钻孔）、碳纤维杆、透明的塑料光纤（黏附在碳纤维杆上）、荧光红漆（涂抹在碳纤维杆末端，加强视觉效果）、话筒及话筒转接线（连到功放板）、共振喇叭、共振箱（音叉共鸣箱，把喇叭的声音通过共振放大）。

●作品说明

整个装置通电后，LED灯组会亮起红色，经由光纤传导至光纤末端，可以看到杆末端有星星点点的红色亮点。

将手机蓝牙与功放板蓝牙连接，用手机播放音乐或一定频率的声音信号，经由功放放大后传至共振喇叭，喇叭发声并振动从而带动碳纤维杆晃动。当声音的振动频率与碳纤维杆的固有频率相同时，就能引起碳纤维杆共振。在暗室环境下，碳纤维杆的振动表现为光纤亮点在动态画圆圈。

由于共振喇叭自身发声音量有限，为增大音量输出获得更好的听觉体验以及消除底部与桌面的摩擦声，在共振喇叭下方黏一个音叉共鸣箱，共鸣箱下再黏一层泡棉板，喇叭振动引发箱内空气共鸣，使得输出的音量更大，效果更佳。

经实例验证，在256Hz、512Hz、440Hz三种音叉共鸣箱中，256Hz的音叉共鸣箱效果與本装置所使用的共振喇叭最匹配。

●现场测试

播放不同频率的声音信号，不同长度的碳纤维杆响应振动，碳纤维杆共振可推出碳纤维杆的固有频率为此时声音信号的频率；声音信号频率越低，响应振动的碳纤维杆的长度越长，声音信号频率越高，响应振动的碳纤维杆的长度越短。当声音信号维持一段时间，则碳纤维杆就会持续振动画圆圈。如在暗室环境下，LED点亮，光纤末端透光，一个动态的圆圈亮圈效果更明显。

播放一段音乐时，共振喇叭发出音乐声，由于声音信号频率在变化，则不同长度的碳纤维杆响应振动。

同样频率下，把音量调大，则碳纤维的振幅会随之增大，如果看到画圆，则圆圈的半径会加大。

●未来设想

经过测试，我们发现有几种情况无法看到碳纤维杆振动，如当用话筒说话（喊话）时，音量太小或发声音量难以持续保持大音量；或使用的话筒灵敏度不高，采集到的声音信号无法放大；或由于功放板对大音量放大倍数有限；又或者是说话频率单一，无对应固有频率的碳纤维杆与之相对等，所以用话筒说话需要保持一定频率、大音量输出才能看到碳纤维杆振动。对于本装置，后续我们还想增加不同长度的碳纤维杆数量、采用更灵敏、具有放大功能的话筒及使用更大放大倍数的功放板。

（本作品获得第36届广西青少年科技创新大赛中学生科技创新成果竞赛一等奖 指导老师：宁东莲、周 君）