【DIY哨子。聲學小實驗】手工紙+膠片+瓶蓋 齊做簡單小手工 了解哨子發聲原理
【明報專訊】哨子聲響,不論是在球場、建築地盤、繁忙馬路,目的都是透過音頻來引起特定人群的注意。吹哨子之所以會發出聲音,其實是空氣振動的表現。就讓我們由一個簡單小手工開始,帶大家來一場妙韻聲學之旅。
我們從主圖(見右圖)「自製不同音域哨子」小實驗中,DIY一支簡單的哨子。試把不同大小的塑料瓶蓋放在哨子的小洞下,會發現吹出不同的音高(pitch),有的像小鳥叫,有的像蒸汽火車響號,為什麼?
空氣帶動膠片振動產生聲音
聖公會主風小學常識科主席伍展鴻解釋,哨子發聲,是利用氣流從管的一端直接通到另一端,在出口處振動而產生聲音。當沒有空氣流動時,膠片上下的氣壓都一樣;然而當空氣由紙管壓扁的一端吹出時,根據伯努利定律(Bernoulli’s principle),不可壓縮的流體(空氣)沿管中流動時,其速度會改變(加快),快速流動的空氣在管道出口會產生壓力差。也就是說,瓶蓋上快速流動的空氣與瓶蓋內靜止的氣壓不再相同,令到瓶蓋中的空氣由膠片的氣洞溢出,從而帶動膠片振動產生聲音。而振動的快慢,就影響聲音的高低(見下圖「哨子發聲原理」)。
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瓶蓋當共鳴器 放大音量
哨子的結構其實與某些樂器相似。開了洞的膠片是哨子的發聲體,透過振動產生聲音,好比結他的弦、喇叭的簧片;而膠片下的瓶蓋則構成共鳴器,讓聲音共振放大音量,就像琴箱、結他的木箱等。音高即是空氣的振動頻率,哨子聲音會隨着瓶蓋柱狀空間的深度和闊度不同而產生不同的音高,瓶蓋空間愈大,空氣反彈振動便會愈慢,產生的聲音愈低,就好像小提琴由於共鳴箱比大提琴小,所以前者奏出來的琴音較高。我們可以透過更換不同深度的瓶蓋改變共振管的深度,如果瓶蓋較淺,產生的音高會較高,響亮如鳥鳴;相反較深的瓶蓋會產生較低的音高,好像蒸汽火車響號。吹奏笛子時,演奏者會利用關閉特定的開口調整笛的音高,原理亦是改變笛內共振管的長度及共振頻率。
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知多啲:木笛「氣窗」發聲 愈大支愈低音
自製哨子的結構和發聲原理,跟大部分小學生都會接觸的木笛(牧童笛)相似。我們從笛嘴吹氣後,空氣經過管道時加速,同時改變管道出口的氣壓,最終氣流離開管口時,使共鳴箱內空氣振動而發聲。
聖公會主風小學音樂科主席潘志煒表示,很多小朋友都以為木笛的發聲位置是在笛子的末端,其實聲音是在笛頭位置的氣窗位(圖1)發出,相當於自製哨子的長方形小洞。
不同長度大小的木笛,都擁有不同深度和闊度的共鳴箱,所以產生的音高也不一樣,通常體積愈大,音域也愈低。常見的木笛音域,由高至低為高音笛(descant/soprano,音域為c2至a4)、中音笛(treble / alto,音域為f1至d4)、次中音笛(tenor,音域為c1至g3)和低音笛(bass,音域為f至d3)。現時本地小學生在音樂課較常用高音笛,因為較配合小朋友手部大小。
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小知識:不同水位玻璃杯 敲出美妙樂曲
除了自製哨子,我們也可以自製敲擊樂器,敲擊注有不同水位的玻璃杯,甚至可以演奏一曲!敲擊玻璃杯的發音原理,與上文提及的空氣振動有一點關連。敲擊使杯身和液體(水)振動,並隨杯中水的容量大小產生不同的音高。音調高低取決於空氣振動的快慢,杯中水較少的話,敲擊它時所受的阻力較少,玻璃杯的振動頻率因而較快,產生較高的聲音,反之亦然。
文:顏燕雯
編輯:梁小玲
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