國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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聲音幾何圖

                聲音可以產生漂亮的幾何圖形喔!
器材:大水瓢、黑色塑膠袋、橡皮筋、食鹽
操作步驟與現象:

1.取一把手穿過筒身的大水瓢(把手是中空的),將桶身內的把手鋸掉一段,成為圖一的形狀。

2.再剪一張黑色塑膠袋套在水瓢上方,用橡皮筋固定(建議至少用三條橡皮筋),再拉緊塑膠袋,儘量讓表面保持緊繃,如同一張鼓皮。(如圖二)

3.在鼓皮上方均勻的灑上一些食鹽,建議使用顆粒較細的精鹽。(如圖三)

4.在把手的位置發出聲音,鼓皮上的食鹽顆粒會隨著聲音而振動,而且會形成有趣的幾何圖形喔!(如圖四)。試者發出不同的聲音,看看圖形是否會隨著變化。

實驗影片觀賞 (3.2M,請打開喇叭) 

原理:

  早在十八世紀末德國物理學家Ernst Chladni (1756-1827)以小提琴的弓磨擦金屬片,讓金屬片表面上的沙振動,產生特定的幾何圖案,被稱為「克拉尼圖形」(Chladni Pattern)。到二十世紀中,瑞士科學家Hans Jenny (1904 -1972)將細小的顆粒在振動的表面形成特定圖案的現象稱為Cymatics(目前似乎還沒有中文翻譯),這個詞源自希臘文Kyma 或ta kymatika,意為「物質的波」。Hans Jenny博士的介紹以及實驗影片,請點閱參考資料1。目前相關的研究包括了各種實驗裝置以及複雜的數學計算,已成為一個相當專業的領域。

  細小的顆粒隨著聲音形成特定幾何圖形的原因,是因為表面(鼓皮)在振動時,會因為振動而產生不同的節點,而節點是振動較小的地方,因此顆粒會聚集在振動的節點上。而不同聲音的不同頻率,會有不同的節點位置,所以顆粒會形成不同的分佈,就形成了特定的幾何圖形了。

延伸的科學遊戲:

  除了由人發出聲音的方式,也可以利用喇叭來玩Cymatics。首先將喇叭接上已經安裝聲音頻率軟體的電腦(安裝軟體請點選「聲音與水的共舞」),然後將紙杯裝水,平放在喇叭上(如圖五),打開喇叭,並改變頻率高低,就可以看到如圖六、圖七的圖形變化了。

實驗影片觀賞 (5.0M,請打開喇叭) 

叮嚀的話:

1.套在水瓢上的塑膠袋,越緊繃越好。一方面振動的傳達效果越佳,另一方面「鼓皮」比較不會隨著發出的聲音上下起伏(因為發出聲音時會吹氣),而影響圖案的形成。

2.振動面是否保持水平,也是影響效果的重要因素,建議可使用水平儀確定是否水平再進行後續操作。

3.食鹽顆粒必須「粒粒分明」,並且儘量均勻分佈,避免有大小不均的情形,以免影響效果。

4.不是發出任何聲音都可以產生特定的圖形,聲音太低,振動情形較緩和,無法形成特定圖形。而聲音太大聲,顆粒容易振動太激烈而跑出去。

5.一般水瓢的手把沒有穿過筒身,也沒有開口,雖然可以自己再加工打洞,但是比較麻煩,建議在大型五金店購買如圖一的水瓢比較方便。

6.以「Cymatics」上網搜尋,可以蒐集到很多相關的實驗、影片以及研究論文。

參考資料:

1. http://www.youtube.com/watch?v=05Io6lop3mk

2. Cymaticshttp://www.cymatics.org/

3. Cymascopehttp://cymascope.com/

4. Youtube影片:(1).http://www.youtube.com/watch?v=Bs3uPbhIZxc&feature=related

(2).http://www.youtube.com/watch?v=DGSU5rcHmRQ&feature=related

(3).http://www.youtube.com/watch?v=NIoFJibzww8&NR=1&feature=endscreen