易拉罐掉在地上為什麼是那種聲音?​

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這個問題比較模糊,但是很有深度。易拉罐落在地上是什麼聲音呢?“乒乓哐當叮咚鏘”;如果是玻璃珠呢?“叮叮叮叮叮叮叮”;如果是一塊木頭呢?“啪”;如果是一本書或者一塊布?“噗”。易拉罐和玻璃珠發聲有兩個特點:1.聲音比較高亢響亮;2.聲音比較持久。

鋁和玻璃,相比於木頭和紙,顯然要硬一些。瓷器也比較硬,敲起來也很清脆;而橡膠軟軟的,敲起來就很沉悶。看來,聲音的高低和材料“硬不硬”有關。可以用楊氏模量來描述材料“硬不硬”。

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玻璃和鋁的楊氏模量要比橡膠和松木的高很多。楊氏模量和聲音有什麼關係呢?楊氏模量越大,密度越低,該材料中的聲速越快。

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可以用一根兩端固定的弦來理解聲音和聲速的關係。

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這樣的弦在振動時,會形成“駐波”;每一種可能的駐波對應一種頻率。當n=1時,對應的頻率最低。弦越短,聲速越快,則頻率越高。粗略地,玻璃/陶瓷/鋁/鋼的聲速快於木頭/混凝土,所以敲起來也比較“清脆”。

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相同的原理也可以用來解釋音樂瓶的音調(即頻率),或者往暖瓶裡倒水聲音越來越高。

此時震動發聲的是空氣柱。

發聲的真實情況要比一根弦複雜很多。受到激勵時,物體會以上面所有模式的疊加震動發聲,形成某物體受某刺激而發聲的“固有頻率”。

總體上,物體的“剛度”越大,質量越小,則這個頻率越高(比如一個小瓷盤往往比一個大瓷盤更“清脆”)。

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當外界聲音的頻率接近物體的固有頻率時,共振最大,導致玻璃杯破裂。

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同時真實的振動是有“阻尼”的(聲音會越來越小)。一般越“軟”的材料對機械振動的“阻尼”越大。比如橡膠的汽車輪胎就比鋼的火車輪胎“耗散”大(或者說在硬的路面上更省油)。那麼“硬硬的”易拉罐和玻璃珠因為阻尼小,就能比木頭/書/布振動發聲更久。


此外,阻尼大的物體,更多的能量更早地被耗散成了熱,所以聲音比較小。反過來易拉罐和玻璃珠的聲音就比較大。

總之,易拉罐(鋁)比較“硬”,所以響度大聲調高。至於音色以及空氣柱的影響,那就是另一個很複雜的故事了。很常見的現象背後也有很複雜的道理。小朋友好好學習吧!


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