讓聲音動起來——激光式聲音可視化

在《倚天屠龍記》中，各方爭奪屠龍刀，金毛獅王謝遜一記獅吼功，震聾各方好漢。

這讓人不禁產(chǎn)生好奇，我們對聲音的感知不止聽覺，那是否“看到”聲音呢？

1.認(rèn)識聲音的本質(zhì)

聲音,其實(shí)是各種波源的振動通過空氣等彈性介質(zhì)傳播到耳膜引起的耳膜振動,牽動聽覺神經(jīng),經(jīng)過大腦加工處理后,就會產(chǎn)生聽覺【1】。

那現(xiàn)在就好辦了，我們要觀察聲音，不就是觀察振動吧，我看不了人耳膜振動，難道還看不了聲音傳播到其他物體上的振動嗎？

可事實(shí)上，我們還真的無法從肉眼上觀察到明顯振動。

以1000HZ,100分貝聲音為例，100分貝為裝修電鉆時的聲音【2】，在密度為0.54g/cm3木板中，以500m/s傳播時，平均能流密度

計(jì)算可得，A=0.00014m/s=0.14mm.也就是說，在電鉆旁邊放一個木板，木板產(chǎn)生的振動甚至遠(yuǎn)不到1mm。

放大震動，光杠桿法

假設(shè)鏡面與光屏之間距離d=2m，當(dāng)鏡面偏轉(zhuǎn)角度a等于1度時，光屏上的像移動x=dsin2a=0.07m=7cm，由此可見，采用光杠桿法可以幫我們放大震動，實(shí)現(xiàn)肉眼觀察聲音。

彩蛋

就像這樣

人視覺暫留時間為0.1~0.4s，而一般聲波周期遠(yuǎn)小于這個值，因此如果是穩(wěn)定頻率聲音，就會形成美麗的圖形.

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

一．原理

喇叭發(fā)出聲波引起薄膜振動，帶動反光片振動，引起激光光路的偏移，恒定頻率的波使光路發(fā)生穩(wěn)定偏移，在光屏上顯現(xiàn)出不同形狀的光斑。

該裝置運(yùn)用了轉(zhuǎn)化思想和光杠桿原理，將不可見的聲波轉(zhuǎn)化成微小可見的薄膜振動，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為明顯可見的光斑形狀變化。

二．材料的選定

（難點(diǎn)：如何減小聲波能量損耗以增大薄膜振動幅度）

反光材料的選擇：

實(shí)驗(yàn)要求反射像足夠清晰，因此反光片的反光性能需良好。同時，聲波引起的薄膜振動微小，要產(chǎn)生明顯的光路變化，反光片必須足夠小。綜上原因，我們最終選擇玻璃紙。

聲波匯聚材料的選擇：

要求減小聲波能量損耗，則應(yīng)選用剛性透明材料，同時不宜太重。薄膜的選擇，要求具有較強(qiáng)彈性，我們最終選定氣球。

實(shí)驗(yàn)裝置制作與組裝

一． 一些電學(xué)原件的制作

二． 裝置組裝

1.藍(lán)牙音響裝入筒中并固定，將圓筒套上薄膜并固定，上面粘結(jié)玻璃紙。

2.將圓筒略微向下傾斜并連接上馬達(dá)和齒輪。

3.調(diào)整激光模塊角度，使反射光線平行于桌面，固定激光模塊。

4.組裝外殼，在前端開一小孔，使光線能射出。

成品展示

實(shí)現(xiàn)聲音可視化的方法還有很多，如著名的克拉尼圖形等，歡迎有興趣的同學(xué)嘗試。

參考來源

【1】聲音本質(zhì)是什么_百度知道 (baidu.com)

【2】分貝（計(jì)量單位）_百度百科 (baidu.com)

【3】光杠桿的原理圖的搜索結(jié)果_百度圖片搜索 (baidu.com)，有裁剪。

供稿單位：西南大學(xué)科普空間站、重慶物理學(xué)會、北碚區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會

審核專家：張巧明

聲明：除原創(chuàng)內(nèi)容及特別說明之外，部分圖片來源網(wǎng)絡(luò)，非商業(yè)用途，僅作為科普傳播素材，版權(quán)歸原作者所有，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。