声波干涉实验中的假象及其改进

　

用音叉演示声波的干涉，是高中物理教材中的一个演示实验，物理杂志上对其改进方案也多有推荐，归纳起来有两种演示方法：一种是单用音叉演示，如教材所讲的方法；另一种是音叉配以共鸣箱演示．然而无论用哪一种方法，由双臂音叉产生强弱相间的声场分布只不过是干涉现象的一种假象而已．

普通中学物理实验室配备的音叉其频率f有256Hz、440Hz、512Hz三种，相应声波波长约是1.30m、0.75m和0.64m，音叉双臂中心间距是1.5cm～2.5cm．对于两个频率相同相隔距离为d的相干波源，激发出两例波长为λ的波．当半波长λ/2大于波源间距d时，则在整个波场区中是无法得到波程差为λ/2或λ/2奇数倍的相消点的，于是不会形成强弱相间的干涉声场．如果λ/2》d，则两波源产生的两列波在空间相遇时几乎是同相叠加，音叉的振动可以认为是无数对这类质点组的振动叠加，因此靠音叉双臂振动激发的两列声波，由于波源相距太近不能形成强弱相间的声场分布．

但教材讲到：“我们围绕正在发声的音叉走一圈，就会听到声音忽强忽弱”．教参还绘出了音叉声强的分布图（见图1）．实测音叉的声强分布，情况的确类似教参所描绘的情况，问题是产生这种声音强弱变化的物理机制不是因音叉双臂产生的两列波直接干涉的结果．而是由于音叉双臂的几何形状、振动状态所造成的．音叉的双臂是一端固定一端自由的矩形钢柱，沿着图中两臂的连线x方向振动，它的声辐射在图中的x—y平面上不是各向均匀，而是沿着振动轴x方向辐射较强，偏离振动轴x方向辐射减弱，到达两臂对称轴y时，恰好是波程差为零的完全同相点，声音又得到了加强．虽然音叉的振动也会形成强弱相间的声场分布，但它与理想的两列球面波干涉所形成的声场分布的物理机制不一样．

音叉配以共鸣箱演示时，由于共鸣箱的作用，共鸣箱的释音口的声辐射最强，有了共鸣箱后，声辐射的方向性会变得更显著．有人把音叉连同音箱置于转台上或者悬挂起来旋转，来观察声波的干涉，转动时随着释音口方向的改变，声音自然会出现忽强忽弱的变化，把这种由于声辐射强度在各方向不相同而引起声音强弱不同的现象，当作声波的干涉现象完全是穿凿附会．

所以用音叉演示声波的干涉现象是不妥的．

为改进用音叉做声波干涉实验，有文章介绍用双喇叭收录机演示．这一方法虽然简单易行，但产生的干涉声场强弱不够分明，因而实验效果不太理想．本人在教学实践中经过多次改进，制成了“声波干涉音箱”，效果令人满意．具体做法是：准备二只袖珍收音机用的小喇叭，另取塑料泡沫方块，割出喇叭孔后把小喇叭嵌入到塑料泡沫块里，制成一对“泡沫音箱”，见图2．小喇叭的纸盆面积小，波源可近似为点状．演示时把音箱挂到横杆上，相距约0.6m，两个喇叭串联后通以正弦波音频信号，再把信号源频率调至2800Hz左右即可．由于利用了泡沫音箱使得声波基本从音箱的正面辐射，又采用了较高的正弦音频，声波的方向性好也容易被环境所吸收，有效地减弱了反射声波及衍射声波对干涉声场的影响，因此对实验环境要求不高，整个教室内可以获得一个比较理想的干涉声场．实验演示时．无论是教室前排的学生还是教室后排的学生，只需在自己的座位上侧过身子，把一只耳朵对着声源，慢慢地左右移动，便可找到声音的最响点与几乎听不到的声音最弱点，强弱变化泾渭分明．或者教师缓缓地转动喇叭横杆，让学生在原位上不动，观察声音强弱的变化，其效果也很好．

何海明 （浙江绍兴市东湖中学，312000）