十佳居家DIY物理實驗優秀作品第六期——玩出來的美麗圖形——克拉尼圖形(薄膜)

2021-02-24 HIT物小理

   克拉尼圖形是我做的第一個居家DIY物理實驗。在薄膜(實驗中用的氣球膜)上撒上輕質顆粒,通過聲源激勵薄膜振動,在薄膜會得到穩定圖案。其整體可以看成弦振動中駐波的聯結,連波節點成波節線,顆粒因振動震至薄膜外或波節線上,形成圖案。

    實驗步驟很簡單,但等到氣球買回來進行實驗時,卻發現沒有想像中容易。在實驗開始階段,於相對安靜的環境下空敲薄膜,很容易從Phyphox上讀出基頻。然後在基頻偏左的頻率時發現明顯共振,符合理論,但進行到「調整頻率至理論值附近觀察圖形」時卻卡住了。首先,我手機上的這個Phyphox,在設置頻率後,需要將「信號-時間」圖點開,再播放音頻,否則輸出的音頻是默認頻率的,這直到第二天再次實驗時我才發現。更主要的是,我在理論值附近怎麼找,都無法找到合適的頻率使得到理想的圖案。我首先懷疑是共振腔體的問題,於是嘗試了塑料杯、紙杯、玻璃水杯甚至高腳杯,但全都失敗了。之後又懷疑是膜的材質問題,將氣球換成有彈性的衣服,醫用橡膠手套,仍然沒有解決問題。

    這個時候,QQ群裡的高同學分享了自己的成功經驗:從網上找到頻率從低到高增加的音頻,這樣跑一遍,觀察在哪些頻率範圍內能形成圖形。於是我在網上找到了可以像這樣發聲的軟體Impulse,最後又在嘗試了多個激發點後,於膜上觀察到了明顯的一條線,儘管於理論值相差甚遠,但也給我吃了一顆定心丸,至少明確了用目前的材料是可以做成功的。於是我確定了膜的材料為氣球,共振腔為玻璃杯。在此基礎上,開始對其他變量進行規範,其中最重要的就是膜張力的均勻程度。經過多次實驗,總算是發現了一個比較好的方法:先將氣球吹氣,然後將氣球中部壓在玻璃杯上,最後緩慢放氣並剪開氣球,得到較好的膜。如此一來實驗器材才真正做好了。

    往後的工作就簡單了,拋開所測基頻,用Impulse試出各個圖案形成時的頻率,然後列表,處理數據,與理論作比較。終於在破掉20多個氣球後得到了比較好的結果。回顧整個實驗過程,確實感覺到DIY實驗對自己的鍛鍊、提升很大。

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