易拉罐掉在地上为什么是那种声音?​

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这个问题比较模糊,但是很有深度。易拉罐落在地上是什么声音呢?“乒乓哐当叮咚锵”;如果是玻璃珠呢?“叮叮叮叮叮叮叮”;如果是一块木头呢?“啪”;如果是一本书或者一块布?“噗”。易拉罐和玻璃珠发声有两个特点:1.声音比较高亢响亮;2.声音比较持久。

铝和玻璃,相比于木头和纸,显然要硬一些。瓷器也比较硬,敲起来也很清脆;而橡胶软软的,敲起来就很沉闷。看来,声音的高低和材料“硬不硬”有关。可以用杨氏模量来描述材料“硬不硬”。

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玻璃和铝的杨氏模量要比橡胶和松木的高很多。杨氏模量和声音有什么关系呢?杨氏模量越大,密度越低,该材料中的声速越快。

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可以用一根两端固定的弦来理解声音和声速的关系。

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这样的弦在振动时,会形成“驻波”;每一种可能的驻波对应一种频率。当n=1时,对应的频率最低。弦越短,声速越快,则频率越高。粗略地,玻璃/陶瓷/铝/钢的声速快于木头/混凝土,所以敲起来也比较“清脆”。

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相同的原理也可以用来解释音乐瓶的音调(即频率),或者往暖瓶里倒水声音越来越高。

此时震动发声的是空气柱。

发声的真实情况要比一根弦复杂很多。受到激励时,物体会以上面所有模式的叠加震动发声,形成某物体受某刺激而发声的“固有频率”。

总体上,物体的“刚度”越大,质量越小,则这个频率越高(比如一个小瓷盘往往比一个大瓷盘更“清脆”)。

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当外界声音的频率接近物体的固有频率时,共振最大,导致玻璃杯破裂。

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同时真实的振动是有“阻尼”的(声音会越来越小)。一般越“软”的材料对机械振动的“阻尼”越大。比如橡胶的汽车轮胎就比钢的火车轮胎“耗散”大(或者说在硬的路面上更省油)。那么“硬硬的”易拉罐和玻璃珠因为阻尼小,就能比木头/书/布振动发声更久。


此外,阻尼大的物体,更多的能量更早地被耗散成了热,所以声音比较小。反过来易拉罐和玻璃珠的声音就比较大。

总之,易拉罐(铝)比较“硬”,所以响度大声调高。至于音色以及空气柱的影响,那就是另一个很复杂的故事了。很常见的现象背后也有很复杂的道理。小朋友好好学习吧!


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