振动实验台 · 两个相近频率

拍现象观察器

两列振动各自都很均匀,叠在一起却会忽强忽弱。拖动频率,看看这个“呼吸节奏”究竟由什么决定。

波形正在移动

先动手,再下结论

先只动一个频率,观察“强—弱—强”的间隔怎样变化。方向键也能微调滑块。

0.803.00 赫兹
0.803.00 赫兹
0.401.20 厘米
十秒观察窗
振动一(实线) 振动二(实线) 叠加(粗实线) 包络(虚线)
频率差,也是拍频 f拍 = 0.40 赫兹 每秒经历 0.40 次“由强到弱再到强”。
相邻强振动的时间 1 / f拍 = 2.50 秒 图上相邻两个鼓包中心相隔 2.50 秒。
叠加振幅的最大值 2A = 1.60 厘米 两振动同相时相长,振幅达到最大。

包络为什么比“拍”慢一拍?

频率相近且初相位相同的两个等振幅简谐振动,可以用和差化积看清结构。

x = 2A cos[(ω₁ − ω₂)t / 2] · cos[(ω₁ + ω₂)t / 2]

后一个余弦负责快速振动;前面的 2A cos[(ω₁ − ω₂)t / 2] 是带正负号的慢变振幅因子,它的角频率是 |ω₁ − ω₂| / 2 = π|f₁ − f₂|。

最容易混淆的地方: 振幅因子完整转一圈要用 2 / |f₁ − f₂| 秒,但人眼判断“强弱”看的是它的绝对值;正峰和负峰都对应一次“强”。因此相邻强振动只隔 1 / |f₁ − f₂| 秒,拍频为 |f₁ − f₂|,正好是振幅因子循环频率的 2 倍。

先预测,再验证

题目会记住当前两频率。选答案之后再让波形改变,别偷看结果。

保持 f₁ = 1.60 赫兹,把 f₂ 从 2.00 赫兹调到 2.45 赫兹。拍会怎样?

我的预测