NTCU科學遊戲Lab：聲音與水的共舞

國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室　　　回首頁　

聲音與水的共舞

聲音可以讓水往上爬，你相信嗎？

※器材：喇叭、擴大機、水管、電腦

※操作步驟與現象

本項操作必須先安裝好以下裝置。

1.電腦先安裝產生特定頻率聲音的軟體，讓電腦可以發出特定頻率的聲音，建議頻率範圍必須包含20Hz～100Hz範圍。可供下載軟體的網址： http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en （下載soundcard oscilloscope V1.32）

2.電腦安裝軟體之後，確定可發出輸入的頻率，再輸出到擴大機，並由擴大機連接到喇叭。

3.以塑膠水管連接水龍頭，並通過喇叭（如圖一）。注意：水管伸出喇叭約2公分即可，不可太長（越短越好，以不會濺濕喇叭為原則）

4.水管與喇叭的上方、下方接觸點，以手壓住，或用膠帶貼緊。

5.打開水龍頭，水量不可太大，讓水流緩慢流出來即可。

6.由電腦控制送出20Hz頻率的聲音，並以攝影機觀察，觀察水流有沒發生變化？如果沒有，將聲音調整為21Hz，再以攝影機觀察水流有沒發生變化？如此一直增加聲音頻率，可以發現在某個特定頻率，透過攝影機觀察到的水流會變成一段一段的（如圖二），而且還會如圖三，水流不是往下流，而是會往上跑喔！（如圖三）

※原理

　　本操作的原理與「聲音看得見」中延伸的科學遊戲（一）類似。喇叭發出的聲音，使水管產生振動，在特定頻率時能產生駐波，因而產生一段一段的水流。

　　而由於水流流速頗快，必須使用每秒拍攝固定影格的攝影機觀察，此原理則與「魔幻轉輪」相同。亦即水流仍然是往下流，只是形成駐波的每一小段水流的速度，與攝影機的拍攝速度的落差，造成視覺上的幻覺（如同以攝影機拍攝螺旋槳時，有時會看到螺旋槳慢速的往反方向轉）。

※叮嚀的話

　　要達成以上所述的效果，在操作上請注意：

1.觀察時，必須使用攝影機觀察，以肉眼無法看到。而攝影機的拍攝速度會影響觀察效果，建議使用品質較好（畫質較好）的攝影機，例如手機的攝影品質就比較不佳。

2.水管與喇叭的接觸，也會影響效果。水管必須略為壓緊在喇叭上，以使振動能有效傳遞到水管上。因此在試驗時，也要改變一下壓緊的程度，觀察不同的壓緊程度的差別。

3.水管不能伸出喇叭太長，是因為會造成水管左右擺動，使水流紊亂，無法垂直流下來。

4.造成水往上流的聲音頻率，大約在23Hz～30Hz，與水管粗細有關係，請耐心調整與試驗。（以上圖片的實驗結果是使用26Hz的聲音）

5.在特定頻率時，也可能會造成水流凍結（不移動）的現象喔！（如達成此現象，可以只用肉眼看）。原因：每小段水流流下來的速度，剛好與攝影機拍攝的速度一樣。

6.使用擴大機是因為電腦輸出的聲音，響度（振幅）不夠大。但是也不是越大聲效果越好喔！太大聲容易使水管振動過大，水流反而不穩定。

※參考資料