让声音动起来——激光式声音可视化

让声音动起来——激光式声音可视化

引用

科普中国网

1.

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&ar_id=545124

在《倚天屠龙记》中，金毛狮王谢逊一记狮吼功，震聋各方好汉。这让人不禁产生好奇，我们对声音的感知不止听觉，是否还能“看到”声音呢？

认识声音的本质

声音，其实是各种波源的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动听觉神经，经过大脑加工处理后，就会产生听觉【1】。

那现在就好办了，我们要观察声音，不就是观察振动吧，我看不了人耳膜振动，难道还看不了声音传播到其他物体上的振动吗？

可事实上，我们还真的无法从肉眼上观察到明显振动。以1000HZ,100分贝声音为例，100分贝为装修电钻时的声音【2】，在密度为0.54g/cm3木板中，以500m/s传播时，平均能流密度

计算可得，A=0.00014m/s=0.14mm.也就是说，在电钻旁边放一个木板，木板产生的振动甚至远不到1mm。

放大震动，光杠杆法

假设镜面与光屏之间距离d=2m，当镜面偏转角度a等于1度时，光屏上的像移动x=dsin2a=0.07m=7cm，由此可见，采用光杠杆法可以帮我们放大震动，实现肉眼观察声音。

彩蛋

就像这样

人视觉暂留时间为0.1~0.4s，而一般声波周期远小于这个值，因此如果是稳定频率声音，就会形成美丽的图形.

实验装置设计

原理

喇叭发出声波引起薄膜振动，带动反光片振动，引起激光光路的偏移，恒定频率的波使光路发生稳定偏移，在光屏上显现出不同形状的光斑。

该装置运用了转化思想和光杠杆原理，将不可见的声波转化成微小可见的薄膜振动，再进一步转化为明显可见的光斑形状变化。

材料的选定

（难点：如何减小声波能量损耗以增大薄膜振动幅度）

• 反光材料的选择：

实验要求反射像足够清晰，因此反光片的反光性能需良好。同时，声波引起的薄膜振动微小，要产生明显的光路变化，反光片必须足够小。综上原因，我们最终选择玻璃纸。

• 声波汇聚材料的选择：

要求减小声波能量损耗，则应选用刚性透明材料，同时不宜太重。薄膜的选择，要求具有较强弹性，我们最终选定气球。

实验装置制作与组装

一些电学原件的制作

装置组装

1. 蓝牙音响装入筒中并固定，将圆筒套上薄膜并固定，上面粘结玻璃纸。
2. 将圆筒略微向下倾斜并连接上马达和齿轮。
3. 调整激光模块角度，使反射光线平行于桌面，固定激光模块。
4. 组装外壳，在前端开一小孔，使光线能射出。

成品展示

实现声音可视化的方法还有很多，如著名的克拉尼图形等，欢迎有兴趣的同学尝试。

参考来源

【1】声音本质是什么_百度知道 (baidu.com)

【2】分贝（计量单位）_百度百科 (baidu.com)

【3】光杠杆的原理图的搜索结果_百度图片搜索 (baidu.com)，有裁剪。