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1701077377 我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074937]

1701077378 我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 13 大音叉小音叉

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1701077382 一分钟简介

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1701077384 本章介绍各种音叉的有趣故事。通过测量普通音叉在发声时声音强度在空间中的分布，我们可以探索声波的干涉现象，并澄清一个由来已久的误解。然后我们将目光转向无处不在，但又常被人忽视的石英小音叉，来看它在现代前沿物理实验中的奇妙运用。

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1701077386 闲话基本原理

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1701077388 音叉，可能大家都听说过，或许不少人还见过，一般它是由铝或铜做成，可以发出长久悦耳的单音。给吉他或其他弦乐器调音的时候，我们可以用音叉发出的音作为基准来调节琴弦的松紧度。图13.1展示了一个我自己通过弯折一根铝条做成的山寨版音叉。虽然其貌不扬，但是的确能产生悦耳的单音，并达到“余音绕梁，十秒不绝”的效果。

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1701077393 图13.1 其貌不扬的音叉

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1701077395 但是，为什么音叉要做成这么奇怪的形状呢？你或许注意到，如果握住一根金属条，直接敲击地面，它只能发出非常沉闷的声响，而且很快就消失了。但如果把这根金属条从空中坠落，撞击地面并被弹回，我们就能听到清脆的声音，在金属条最终“歇”在地面上之前，这个声音都会不绝于耳。这是因为金属条被撞击以后发生振动，如果它是被手握住的，则振动传递到手上很快就衰减了，所以它发出的声音短促而沉闷；如果它是悬空的，则被撞击时获得的弹性势能可以储存在金属条里，慢慢地衰减，从而使得金属条长久地振动，发出清脆悠扬的声音。你可能会问，音叉也是被人握在手上，为什么它会发出清脆的声音呢？我们来看图13.2。

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1701077400 图13.2 音叉发声过程

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1701077402 图13.2描述了一个音叉被撞击以后发生的情况。假设它的右臂被敲击了一下，那么它的尖端部分会向左弯曲（图中进行了夸张），并且由于获得敲击给予的动量，整个音叉都试图朝左边运动。由于惯性作用，音叉左臂靠近尖端的部分运动得比底部靠近横梁的部分要慢一些，所以它就会向右弯曲（图中进行了夸张）。这样两根金属臂就都储存了弹性势能。并且由于两臂的质量、材质、形状都一样（换句话说，它们具有相同的弹性系数），并关于把手对称，所以很快左右两臂的振动幅度就达到一致了，且相位恰好相差180°，即它们的运动方向刚好相反。这样一来，两臂在振动中对于横梁的作用力总是相抵消的，在横梁正中间的把手不会感受到左右的振动。储存在音叉两臂中的弹性势能不会通过握住它的手衰减，而只会通过与空气摩擦，以及金属材料变热来缓慢地消耗，所以音叉通常能发出很长久的声音。如果突然握住其中的一臂（不需要握住两臂），则由于图13.2中对称的运动方式被破坏，另一臂的振动也很快地通过把手衰减，声音就会戛然而止。

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1701077404 通过这种对称的结构来产生悠扬声效的乐器可不在少数，如山寺古钟，横截面铸成圆形，悬挂点是圆心。撞击以后悬挂点并不感受到振动，弹性势能衰减缓慢，所以大钟才能持久低吟，激起闻者的万千思绪和诗情。

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1701077406 除此之外，音叉还有一个有趣的特点，就是如果绕着正在发声的音叉一周（或者在耳边旋转音叉），我们能听到忽高忽低的声音。我记得似乎是初中物理课上，老师给我们演示过这个现象。教科书上解释说，这是由于音叉两臂所发出的声波彼此干涉，在空间中有些地方干涉相消，有些地方干涉相长，所以才会有这种声音强度的变化。不像光波的干涉随处可见，声波的干涉是生活中颇为稀罕的事情。所以如果我们能定量地测量这种现象，从而推测出声波的波长，这将是个有趣的实验。

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1701077408 动手实践

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1701077410 要记录声音在空间的分布，我们还是要用“绝世经典”的玩具乐高Mindstorm，它里面配备了一个声音传感器。当然，熟悉电子的读者也可以用一个小话筒来自制一个声音传感器，用单片机取代乐高来记录数据。我就偷了个懒，用乐高现成的零件搭建了如图13.3所示的声音强度测量装置。我还找来一根品质好一些的音叉，声音衰减得比我自制的音叉更慢，方便乐高从容不迫地记录数据。音叉被一个架子倒悬在空中，声音传感器固定在乐高的大脑——控制模块上。它们由一个电机带动，可以绕着音叉旋转，采集各地的数据，这就像我们在自制天线测量微波泄漏那一章所做的那样。最后，通过仔细摆放乐高的位置，确保传感器旋转的圆心位于音叉正中间，这样我们测量到的声音强弱变化就不是由于距离音叉的远近不同导致的了。

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