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

1. 訊號產生器、訊號線、喇叭，用來發聲並控制頻率。
2. 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。
3. 鐵架組：鐵台、鐵棒、菱形夾、Y型夾，用來支持並穩定共振腔體。
4. 量筒、游標尺、溫度計，用來兩側相關物理數據。
5. 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

1. 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)。
2. 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？
3. 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