在电脑上播放音乐的时候,可以选择音乐可视化,让你看到音乐的形状。那么没有电脑的情况下也可以看到声音吗?想为你的歌喉手工增加可视化效果吗?今天就教你一招。
关键概念
驻波、孔特管
材料和工具
透明塑料管(可以在网上买水族箱的胶管)、硬纸板、牛皮筋、塑料泡沫/纸屑
操作步骤
1. 把透明塑料管截成不同长度的几段,30-40厘米左右效果比较好,更长的管子需要更大的音量。2. 把塑料管的一端用硬纸板封好,防止漏气。3. 把塑料泡沫捏碎,然后塞到塑料管里面。如果没有塑料泡沫,也可以用弄碎的纸屑(比如节日用的彩纸屑)代替。4. 用嘴巴对着塑料管的另一端唱歌,或者用手机的扬声器对着管子播放,观察塑料泡沫在管子里形成的形状。
实验原理
我们刚刚制成的小装置是一个简易版的孔特管(Kundt tube)。肯特管是德国物理学家奥古斯特·孔特(August Kundt)在1866年发明的,它是一种让声波现形,并可以同时测量声音速度和波长的神奇工具。
所以为什么孔特管的泡沫塑料珠子会组成神奇的形状呢?这是因为,声波能在空气中传播,并可以让空气中的气体分子在声波的传播方向上来回运动。你应该想到了,塑料泡沫珠子会随着气体分子运动,所以它们实际上显示的是气体分子的运动。有时珠子停止不动,这又是为什么呢?实际上,这是因为声波在管子另一端反射回来以后和入射的声波发生了干涉,恰好形成了驻波(standing wave)。
气体分子的来回运动可以使管道内部出现一些高气压和一些低气压的区域。高气压的地区叫做“压缩区”(compression),低气压的地区叫做“稀疏区”(rarefaction)。你可能会想当然地以为,气体分子以及珠子会从稀疏区运动到压缩区。这是不对的。因为声波是一种纵波,实际上分子的位移并不能显示它们所在处的压强。在波节,也就是珠子不动的地方,压强一直忽大忽小,然而波节处的分子并不左右运动。
另外,如果你得到了驻波,那么你就可以测算你发出的声波的波长了。理论上管子的长度是你发出的声波波长的n/4倍(n是奇数)。这里的物理知识有些复杂了,如果一下子搞不明白也没有关系。学习最重要的是开心,通过实验慢慢感性观察吧!对了,孔特管还有个变种——19世纪的德国物理学家海因里希·鲁本斯(Heinrich Rubens,1865年—1922年)设计的鲁本斯管(Rubens Tube)。
这种管子里面通着可以燃烧的气体燃料。随着声波造成的气压变化,气体燃料会相应地流出并燃烧,气压大的地方流出得多烧得旺,气压小得地方流出得少烧得弱,从而形成酷炫的视觉效果。