腔體模擬口腔共振
本實驗最初構想源自2008年science期刊上,Jer Ming Chen1等人所發表之文章,研究口腔與樂器共振之關係。物理原理不僅僅只是在實驗室內才適用,在人體發出聲音用的口腔,就是和我們最親近的共振腔。
實驗裝置
- 訊號產生器、訊號線、喇叭,用來發聲並控制頻率。
- 不同體積與形狀之玻璃圓底燒瓶,模擬不同口腔形狀的共振發聲行為。
- 鐵架組:鐵台、鐵棒、菱形夾、Y型夾,用來支持並穩定共振腔體。
- 量筒、游標尺、溫度計,用來兩側相關物理數據。
- 人體口腔、自備乾淨保特瓶,用來量測特殊腔體之共振頻率。
實驗目的
口腔發出共振的方式,變因相當多,但可以整理為一個簡單的模型。我們以Cavity Resonance(腔體共振)為模型,推導出共振頻率,並以實驗驗證之。
實驗演示
將訊號產生器、訊號線、喇叭接好,打開電源。取不同體積與形狀之玻璃圓底燒瓶,將喇叭對準瓶口,以手扶於燒瓶底部,調整訊號產生器頻率,直到共振發生時,可觀察不同的V、L、A燒瓶下,共振發生的現象與頻率有何不同。亦可以量測特殊共振腔之共振頻率,如:大燒瓶、保特瓶、可樂瓶、陶笛、口腔。
示範實驗
原理說明
量測「共振頻率f」與「波速v」、「開口面積A」、「容積V」、「長度L」之關係。並以實驗數據驗證以下「腔體共振」公式:
圖片:Cavity Resonance(腔體共振)模型示意圖
聲速
標準大氣壓力下,溫度0℃時,空氣中的聲速是331m/s。
簡易公式:(V=331+0.6T)
思考問題
- 想想看,在腔體共振可否比喻為彈簧共振。在彈簧共振下,k是彈簧係數,m為彈簧上負載重量(mass on a spring)。
- 想想看,瓶口面積是否可以比喻為帶動空氣振動的物理量,如同彈簧係數;而腔體中空氣的體積可否看成彈簧上的重量?
- 運用這些模型概念,可否延伸到你想得到的口腔模型與樂器。如果是一個三口燒瓶,有三個開口與瓶頸,各自有蓋子可以切換開或閉,又能對應到怎樣的彈簧模型?
生活中的應用
可以利用裝水的玻璃管,利用不同的高度製造出不同音頻的效果
參考資料
Fundamentals of Physics, Halliday
工作人員
魏銘良
鍾旻峰、鄭兆文、陳柏中
周貞佑
指導老師
傅昭銘教授
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