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看見聲音!尋找波峰

107/12/21 瀏覽次數 4222
探究題目與動機
  國二上學期教到「波」,在講波的時候,我們當時難以理解,因為波是抽象的概念,特別 是像聲波,是無法用肉眼直觀的。為此,我們想製作能將抽象轉為具體的示範工具,讓「聲 波」具體化,而不僅僅是課本上靜止的圖片;讓波動起來,才能簡單又生動地傳達波的意涵。 而我們也在網路上找到了一種名為”肯特管”的科學教具,正符合我們所期盼的功能。然而 高中所使用的玻璃真空肯特管有相當的條件以及技術,一組都要萬元起跳,因此我們也想找 是否有其替代方案,方便在國中理化的課程中做應用。
  如此特別的科學教具也引起我們的好奇心,想要更進一步來探究肯特管的各種變因,並 改良傳統肯特管,看看各種情況下肯特管的表現情形並普及。
探究目的與假設
了解肯特管中的聲波的成像樣貌
  1. 改變肯特管中「保麗龍球的大小」,對聲波的顯現有何影響?
  2. 改變肯特管的「粗細材質」,對聲波的顯現有何影響?
  3. 改變「聲源」,對聲波的顯現有何影響?
  4. 改變「頻率」,對聲波的顯現有何影響?
  5. 改變「音量」,對聲波的顯現有何影響
探究方法與驗證步驟 實驗一、改變肯特管中「保麗龍球的大小」
  a. 使用 1mm、3mm、9mm、20mm 直徑的保麗龍球,填入玻璃量筒肯特管。
  b. 用嘴向肯特管內發聲,其他因素是為控制變因。
  c. 觀察聲波的樣貌。
結果:
Table1.不同保麗龍球大小實驗結果Table1.不同保麗龍球大小實驗結果
Fig.1 保麗龍球 1mm、Fig.2 保麗龍球 3mm、Fig.3 保麗龍球 9mm、Fig.4 保麗龍球 20mmFig.1 保麗龍球 1mm、Fig.2 保麗龍球 3mm、Fig.3 保麗龍球 9mm、Fig.4 保麗龍球 20mm
  我們分別使用不同大小的保麗龍球進行實驗。發現若介質的質量愈重,體積愈大,效果 愈不明顯;同理,愈輕則反之。也因此為了改善日後的實驗結果,我們決定使用效果最明顯 的 1mm 的保麗龍球進行後續的實驗。
實驗二、改變肯特管的「粗細材質」
  a. 使用不同材質(玻璃量筒、塑膠量筒、吸管、水族箱管、水管)製作肯特管。
  b. 根據實驗一填入 1mm 保麗龍球。
  c. 用嘴向肯特管內發聲,其他因素是為控制變因。
  d. 觀察聲波的樣貌。
結果:
Table2.不同材質肯特管實驗結果Table2.不同材質肯特管實驗結果
  過粗的塑膠水管,口徑太大,因此我們對管內發聲的時候,能量會不集中(能量散佈,每 體積單位分配到過少能量),因此介質難以震動。另外,吸管材質軟,管壁會吸收能量,而且 管內體積及口徑太小,吸附嘴吐出來的水氣,黏住保麗龍球,要看到震動可說是難上加難。 而同樣都是 25mL 的量筒,玻璃量筒震動較明顯可能是因為管壁材質夠硬,使得能量較大且 明顯,且塑膠量筒透明度不高,較難觀察。用嘴的情況下以水族箱管最適合。
Fig.5 塑膠量筒肯特管、Fig.6 吸管肯特管、Fig.7 水族箱管肯特管、Fig.8 透明水管肯特管Fig.5 塑膠量筒肯特管、Fig.6 吸管肯特管、Fig.7 水族箱管肯特管、Fig.8 透明水管肯特管
實驗三、改變「聲源」,對聲波的顯現有何影響
a. 使用不同聲源(人聲、機械聲)製作肯特管
b. 用手機 app 發出固定頻率聲源
c. 連接長筒狀喇叭
d. 和人聲肯特管做比較,觀察聲波的樣貌。
結果:
Fig.9 人聲肯特管、Fig.10 機械聲肯特管Fig.9 人聲肯特管、Fig.10 機械聲肯特管
Table3.不同聲源肯特管實驗結果Table3.不同聲源肯特管實驗結果
  過去用人聲常有水氣的困擾,而且人聲容易忽大忽小,且無法像樂器發出固定頻率,無 法準確觀察,改用機械聲再搭配喇叭,可控制音量且連續撥放固定頻率,增加更多可用性, 並且能看到波峰更是令我們驚奇。
實驗四、改變「頻率」,對聲波的顯現有何影響
  a. 利用機械式發聲,控制頻率從 300Hz-990Hz,在相同音量下發音。
  b. 觀察聲波的樣貌。
結果:
Fig.11 頻率 330Hz、Fig.12 頻率 420Hz、Fig.13 頻率 420Hz 局部放大、Fig.14 頻率 660HzFig.11 頻率 330Hz、Fig.12 頻率 420Hz、Fig.13 頻率 420Hz 局部放大、Fig.14 頻率 660Hz
  首先我們發現在頻率 330Hz 有最明顯的波峰,同時 660Hz 有兩個明顯波峰、990Hz 有三個明顯波峰,這證明了課本內的公式(聲速=頻率 X 波長),頻率和波長成反比。我們使用 的透明水管為 50cm,在相同溫度下聲速相同,根據 V=331+0.6T,實驗時溫度為 12℃,所 以 V=338.2m/s,在 330Hz 情況下可以在長度 50cm 管內找到完整波峰,該長度為 0.5λ, 所以 λ=100cm=1m,代入 V=f X λ 即 V=330*1=330,和理論值 338.2 相距不遠。此外在 頻率增加時,所看到的波峰越來越短,另外再 390 以後可逐漸發現靠近喇叭處出現較小的波 峰,如 Fig.13 所示,此為第二個波之一部分。
Fig.15 頻率 330Hz 式意圖、Fig.16 頻率 360Hz 式意圖、Fig.17 頻率 420Hz 式意圖、Fig.18 頻率 660Hz 式意圖Fig.15 頻率 330Hz 式意圖、Fig.16 頻率 360Hz 式意圖、Fig.17 頻率 420Hz 式意圖、Fig.18 頻率 660Hz 式意圖
實驗五、改變「音量」,對聲波的顯現有何影響
  a. 利用手機音源鍵控制音量,由滿格到 2 格
  b. 觀察聲波的樣貌。
結果
Fig.19 音量 10 格、Fig.20 音量 6 格、Fig.21 音量 2 格Fig.19 音量 10 格、Fig.20 音量 6 格、Fig.21 音量 2 格
  發現聲音越大聲,保麗 龍球振動高度越高,也證明 音量和振幅成正比關係。從 七顆球高度降至 1 顆保麗龍 球的高度。
Fig.22 音量大小示意圖Fig.22 音量大小示意圖
結論與生活應用
藉由試做肯特管,我們可以基本地發現:
  1. 當向管中發聲時,肯特管中的 1mm 保利龍球會跳動並堆積在某些相隔固定距離的點,在 數量上,形成疏密之分;在形狀上,形成類似橫波高低起伏的樣貌。
  2. 若聲源為人聲,音量會過小,導致波不明顯,音頻也無法精確固定。故本實驗中肯特管的 聲源皆為手機應用程式之穩定音頻。
藉由使用機械發音試做及試用肯特管,我們可以發現:
  1. 若聲源為手機應用程式之穩定音頻,則波的顯現較人聲顯著。
  2. 若聲源之頻率愈高,則類似橫波高低起伏的堆積樣貌會愈緊密;反之,則其間隔愈大。
  3. 肯特管用玻璃或塑膠作為管壁材質並無太大差別。
  4. 成功證明「聲速=頻率 X 波長」、「聲速=331+0.6T」、「振幅與音量的正比關係」。
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