声音的声学应用

时至今日，声学的应用范围越来越广，在军事、医学、建筑等方面有举足轻重的地位，尤其是建筑声学更是建筑设计师们一直在研究的重点科目。 【目的和要求】

了解声音在遇到障碍物时的反射现象。

【仪器和器材】

玻璃圆筒（直径约8厘米，高约40厘米），平面镜，三合板，金属板，海绵，表。

【实验方法】

1．在玻璃圆筒底部垫上一块海绵，海绵上放一块表，耳朵靠近玻璃圆筒正上方数厘米处，能清晰地听见表声。

2．当耳朵离开玻璃圆筒口竖直方向后，如图1．57－1甲所示位置，则听不见表声。

3．在玻璃圆筒口安放一块平面镜，如图1．57－1乙所示，改变平面镜角度直到从镜面里能看到表像时，固定平面镜的角度。耳朵仍在图1．57－1甲所示的位置，又能清晰地听见表声了。说明声音能像光一样反射。

4．用三合板、金属板、海绵板代替平面镜实验，比较听见的声音的强弱。说明不同材料反射声音和吸收声音的能力不同。

【注意事项】

1．表的声音不能太小，所选的表要在距表约50厘米处仍能清晰地听见表声。

2．为避免玻璃传声的干扰，垫表的海绵要选厚些的，以尽量吸收声音。表也不要直接与玻璃圆筒内壁接触。

实验前要反复校验，当表放入圆筒后，仅在圆筒竖直上方数厘米处能听见表声，其他方向听不见表声，这样演示效果才会好。

3．为了使全班学生能同时听见表的反射声音，可用话筒放在耳朵处，用扩音机放大。 【目的和要求】

学习粗略测定声音速度的方法，了解空气中声速的大小。

【仪器和器材】

梆子，秒表或手表，卷尺。

【实验方法】

在高墙前或山谷中唱歌或叫喊时，往往可以听到回声，而且在早晨时回声最清晰响亮，因此本实验最好在早晨进行。首先选择好合适的实验场所，例如一堵高墙，高墙的前面平坦空旷。实验者站在离高墙的距离为R处，按照均匀的时间间隔T敲打梆子。当听到反射回来的第一次梆子声与打出来的第二次梆子声完全重叠时，则表示每次梆子发出的声音传到高墙并被高墙反射回来到达实验者处的时间刚好等于敲梆子的时间间隔T。因此声音传播的速度v为v=2R/T

1．站在离高墙100米或更远的距离，以一定的时间间隔敲打梆子。

2．注意控制敲梆子的节拍，使从高墙处反射回来的梆子声与敲出来的声音相重叠。

3．站在旁边的学生由一人报出敲击的次数，其他学生同时用秒表或手表计时。测出敲击20次至50次的时间间隔t，并由所得的结果计算出敲梆子的时间间隔T(秒）。

4．用卷尺测出敲击地点到高墙的距离R（米）。

5．将所得的数据代入公式v=2R/T求出声速v米。同时要记下测量时空气的温度，因为空气中声音传播的速度与温度有关。

【注意事项】

1．实验者离墙的距离以能清晰地听到回声为宜。

2．若每隔一次听到敲击声与回声重合，则声速公式v=2R/T。 【目的和要求】

认识声音的共振现象──共鸣的产生条件。

【仪器和器材】

共振音叉（440赫兹音叉一对，其中一个音叉的叉股上另附金属卡子，用来改变频率），共鸣箱，音叉槌，吊在线上的轻质小球。

【实验方法】

1．取下套在叉股上的金属卡子，把两音叉分别插在共鸣箱上，使两共鸣箱的开口相对，彼此相距约50－75毫米，如图1．56－1所示。敲击其中一个音叉，几秒钟后，用手握住音叉的叉股，使它不再振动发声。这时可以听到另一个音叉在发声。拿一个用线悬吊的轻质小球跟这个音叉的叉股接触，轻质小球被弹开。表明这个音叉在振动。

2．在第一个音叉的叉股上套上金属卡子，改变这个音叉的振动频率，重做上述实验，另一个音叉就不会振动发声。

说明产生共振的条件是两个音叉的固有频率相同。

【注意事项】

1．音叉插在共鸣箱上插得越紧密，则共振现象越显著。因此，实验时要防止音叉与共鸣箱结合处松动。

2．实验前要反复校验两音叉的距离。距离过远，则音响太弱。距离过近，则显示的共鸣现象给学生留下的印象不深。

【参考资料】

1．把音叉从共鸣箱上取下来，敲击音叉，声音很小。插入共鸣箱上，敲击音叉，声音就增大。这是由于箱内空气的共鸣增大了音叉所发出的声音强度。

2．用气柱共鸣器演示空气柱的共鸣现象。如图1．56－2所示，一根直径约3厘米，长100厘米的玻璃管竖直地夹持在支架上，下端用橡皮管与蓄水器连接，组成一个连通器，在玻璃管里盛水。提高蓄水器，使玻璃管里的水面接近管口。降低蓄水器，可增加玻璃管里空气柱的长度。将振动着的音叉放在玻璃管口的正上方。慢慢降低蓄水器，当水面降到某一位置时（波长的1/4），就听到很响亮的声音（气柱的第一个共鸣点）；继续降低蓄水器，当水面降到另一位置时（波长1/4的3倍），又会听到一次响亮的声音（比上次弱些）（气柱的第二个共鸣点）。

3．实验方法1中如果没有叉股上的金属卡子，可在叉股上套一段橡皮管或贴上纸片、胶布，同样能改变音叉的固有频率。

4．用赫姆霍兹共鸣器演示：赫姆霍兹共鸣器是用黄铜铸成的，内部是一个空腔，两端有粗细两个孔。粗孔是用来接收传来的声波，细孔供监听用。手握共鸣器，将小孔贴近耳边，如图1．56－3所示。如果声音中有接近共鸣器固有频率的声音，共鸣器将共鸣。 【目的和要求】

了解音调高低与声源振动频率的关系和响度大小与声源振幅的关系。

【仪器和器材】

发音齿轮（齿数为40、50、60、80），转台，硬纸片，音叉（附共鸣箱），音叉槌，吊在支架上的轻质小球。

【实验方法】

1．音调与频率的关系

把发音齿轮固定在转台上，摇动转台，使齿轮匀速转动。再拿一块硬纸片接触其中一个齿轮的锯齿，如图1．55－1所示。纸片就振动起来，发出声音。改变转台的转速，可以听到纸片发出的声音音调也随着改变。转速越大，音调越高。

保持齿轮的转速不变，用硬纸片接触不同的齿轮，纸片就发出不同音调的声音。齿轮的齿数越多，硬纸片和它接触时发出声音的音调就越高。

实验表明：声音的音调是由声源振动的频率决定的。频率越大，音调越高；频率越小，音调越低。

2．响度与振幅的关系

将音叉插在共鸣箱上，将吊在支架上的轻质小球贴近音叉的一叉股。用音叉槌轻敲一下音叉，小球被推开的幅度不大，音叉发出的声音响度小；重敲一下音叉，小球被推开的幅度增大，音叉发出的声音响度增大。表明声源振动的振幅越大，响度越大；振幅越小，响度越小。

【注意事项】

发音齿轮轴上的螺帽必须拧紧，以防齿轮打滑，影响实验效果或被甩出伤人、损坏齿轮。

【参考资料】

1．音调与频率的关系，还可用验音盘（图1．55－2甲）来演示。把验音盘固定在转台的轴上，用橡皮管把吹气管和皮唧连接起来，并把吹气嘴固定在支架上，对准某一列小孔（图1．55－2乙）。转动转台，使验音盘匀速转动，然后踏动皮唧，用吹气嘴对准验音盘上的小孔吹气（用口吹也可以），空气柱振动发声。把吹气嘴从验音盘边缘向中心移动（不用最里面一列不均匀小孔），保持转速不变，得出音调与频率的关系。

2．音调与频率的关系，还可用两个频率不同的音叉直接演示。办法是在每个音叉的叉股上固定—根细钢针，另备一块被烟熏黑的玻璃板。用音叉槌敲击音叉，使两音叉振动发声，并同时匀速地在玻璃板上移动。移动时必须注意要使两音叉的钢针尖恰好与玻璃板接触，在玻璃板上得到如图1．55－3所示的两条曲线。比较两条曲线，得出频率与音调的关系。

3．用上述的一个音叉和熏黑的玻璃板，在音叉槌轻击和重击两种情况下，在玻璃板上得到如图1．55－4所示的两条曲线。比较两条曲线，得出响度与振幅的关系。 方法一

【制作方法】

1．用一个大肚的玻璃瓶制作成如图9．4－1所示的钟罩。注意：罩底可在玻璃板上加金钢砂轻轻研磨，使它平整光滑。

2．将瓶口加一个插玻璃管的橡胶塞，通过塑胶管接到手摇抽气机上，如图9．4－1所示。

3．把一块5毫米厚的橡胶板平铺在桌面上，其上放一小闹钟，用做好的钟罩扣住。

4．为防止上口或下底漏气，可在各接口处加真空油脂或凡士林密封。

【使用方法】

将闹钟上好劲、扣在钟罩内，摇动抽气机，给钟罩抽气。你会发现，闹钟的声音会由大变小，直至完全听不到声音。当停止抽气，向钟罩内放入空气时，声音又会由小变大。这说明：空气是传声的介质，真空不能传播声音。

方法二

【制作方法】

如图9．4－2所示，在一个玻璃瓶塞下用细线系两个金属环。瓶塞上的弯管用软胶管与两用气筒连接。

【使用方法】

先不接两用气筒，用手摇瓶，可听到两金属环碰击的声响。将瓶子与两用气筒连接，抽气；当瓶内空气稀薄，软胶管被大气压压扁，两用气筒几乎抽不动时，捏紧胶管，取下两用气筒。再摇瓶子时，只见金属环相碰，但听不到响声，这说明空气是传声的介质，真空不传播声音。 声音的传播和光线的传播一样，遇到障碍物时会产生反射和吸收现象。坚硬、光滑的物体表面对声音有明显的反射作用。柔软、粗糙、多孔的物体表面则能吸收声音。自制一个简单的装置，就可比较不同物体表面对声音的反射和吸收作用。

【制作方法】

1．利用长20厘米的两个装羽毛球或刻字蜡纸的硬纸筒，其中一个筒一端开口，一端内部固定一块机械手表或怀表。另一个筒两端都开口，将两个筒安装在一个可调的支架上，装置如图9．5－1所示。

2．准备一块玻璃板、一块木板、一块泡塑板。

【使用方法】

1．将左右两筒轴线之间的夹角调为90°，把玻璃板放在木架的平台上，耳朵贴近右边纸筒的上口，即可听到手表的“嘀哒”声；去掉玻璃板换上木板，声音明显减弱。当放上泡塑板时，就听不到声音了。由此说明：玻璃板对声音的反射性能最好、木板次之，泡塑板最差。或者说泡塑板对声音的吸收性能最好。

2．改变两筒轴线之间的夹角，声音大小有明显的变化，说明物体表面反射声音的大小与接收者的角度有关。

3．实验过程中，请勿用手触摸装置，室内环境应该安静，以免影响实验效果。 【目的】

用停表计时在户外测定声速；练习使用停表；进一步掌握用数步法测量距离。

【器材】

停表2只，径赛用发令枪（或爆竹），皮卷尺（或米尺、标好刻度的长绳）等。

【步骤】

1．三人为一组，在学校附近的马路或公路上选择400米左右的平直地段进行实验。两人在起点，其中一人用发令枪发送信号，另一人在发令时跟着启动手中的停表。还有一人位于终点，当听到发令枪声时立即启动手中的停表。然后把两只走动的停表交给发令者，由他同时按停停表，两表计时的读数差即为枪声的传播时间。三人轮换担任发令者，分别测出时间三次。

2．三人各自用数步法测出两地之间的距离。可在轮换时，分别数出行走的步效，再乘以自己每走一步的平均跨距。 姓名 发出信号到停止

计时的时间t1/s 听到声音到停止

计时的时间t2/s 声音传播

的时间t3/s 两地距离

d/m 声音传播

速度v/m*s^-1 3．每人把测出的数据分别填入上表，并用速度公式算出声速。然后，根据三次测得的时间和距离的数据，分别求出这两个量的平均值，再算一次声速，作为小组的实验结果。 人的耳朵不仅可以听到声音，而且可以利用两个耳朵接收声音时的强弱差别和时间差别，判断出发声物的方位和距离，人耳的这种能力称为双耳效应。通常，双耳效应不被人所注意，但利用一个简单的装置可以表演双耳效应。

【制作和使用方法】

1．用长1．5－2．0米，直径25毫米的一根塑料硬管（或金属管）即可，将内部装满细沙后两端用废纸堵住，在火炉旁加热后窝成一个圆形，两管口相距250毫米左右。

2．倒出管中的细沙，将管口打磨光滑，用布条将管挂在试听者的两耳旁如图9．6－1所示。

3．试听者紧闭双眼，耳贴管口，助手用一细木棒轻击管的任意部位，试听者皆能准确地判断出敲击处的位置，这就是双耳效应。 【制作和使用方法】

1．找两个直径约10厘米的铁皮罐头筒，将两个底去掉，并在一面绷上乳胶薄膜。再像图9．3－1那样把铁筒口对口地支架起来。

2．在一个筒的薄膜外吊一个泡沫塑料小球。另准备一个1厘米粗的光滑小木棒。

3．用小木棒敲击右筒薄膜，左筒薄膜外的小球就会不断敲击薄膜。

【注意事项】

1．两个筒的外形尺寸应该完全一致，两个膜的绷紧程度要适当调整，才能得到良好的实验效果。

2．两个圆筒的开口要对齐、距离应由近及远逐渐调整。 如果我问你，失火的时候应该用什么来把它扑灭。你会毫不犹豫地说“当然是用水啦”。那我再问你，你是怎样熄灭蜡烛的？你也会毫不犹豫的说“当然是用嘴来把它吹灭啦”。

你的回答是不错的。在日常生活中，这是我们最常用的灭火和灭烛的方法。可是我却是用声音来熄灭蜡烛的，奇怪吗？

准备好一张硬纸、剪刀、胶水，我们来做一个声灭火器。其实它只不过是一个圆柱形的纸盒，这个纸盒的做法如下。

先从硬纸上剪下一张边长为20厘米的正方形，把它卷成一个直径约5厘米的圆筒，用胶水把纸筒的接合处粘牢，再从硬纸上剪下两个直径约6厘米的圆。在其中一个圆的中心处剪一个直径约1.5厘米的小圆洞，然后把两个圆粘到纸筒两端把纸筒的两端堵住，使它形成一个圆柱形的纸盒。这就是声灭火器。不过你一定要把粘合处粘牢，千万不要使接缝处漏气。

把一支点燃的蜡烛固定在桌子上。然后用你的左手握住圆纸盒，把它拿到离蜡烛60厘米左右的地方，并且使盒盖上的洞对准蜡烛的火焰。用你右手的食指不停地弹圆纸盒的盒底。圆纸盒发出了“扑扑”的声音。不一会儿，你就会发现蜡烛的火焰被熄灭了。

难道真的是声音把火给扑灭了吗？如果你还不相信，那你还可以多试几次，结果都是一样的。

因为你用力敲击盒底的时候，产生了声音，声音本身是一种波，而声波是有压力的。在这个压力的作用下，火焰便被“压”灭了。这就是声灭火器的道理。 玻璃是混合物，其中有硅酸盐和大量的二氧化硅以及其他的杂质，所以不存在固有频率。但是对于石英玻璃，是有的，在20000*（1+8%）Hz之间。人的声带频率一般不高于2000Hz，因此很少能把玻璃振碎（共振），但是有些特殊的女高音，其声带频率可以达到和玻璃频率很相近的程度，从而振碎玻璃，但是这种情况比较少。

而且声音震碎玻璃要有前提，首先，人出的声音必须与玻璃的共振频率一致，而且，玻璃一定要存在这肉眼看不见的破裂和裂口，只有具备了这些所有的外部条件之后，再加上一点任自己的运气，用声音击碎玻璃是完全有可能的。

2005年“探索”频道《MythBusters》电视节目就探讨了这个问题，摇滚歌手兼歌唱教练杰米．温德拉就用自己的声音击碎了一些玻璃器皿，他尝试过12只酒杯，后来无意中幸运地击碎一只，第一次证明了个人声音就能击碎玻璃的说法是正确的，他击碎玻璃的那一幕被拍成了电视。温德拉的击碎玻璃的咏叹调被纪录为105分贝，音量几乎和电钻钻起来差不多。