變聲鐘

生活科學趣談

蠻有趣的現象,來聽聽解說人員的說法:

影片2’10″處提及「到達一定的溫度居禮點,然後反磁性變成順磁性,它的那個彈性模量變了…」,其中的「反磁性」是「反鐵磁性」的口誤,因為鐵磁性材料才有居禮溫度;反鐵磁性材料轉變為順磁性須達到的溫度則稱為奈爾溫度(Néel temperature),奈爾溫度可類比於居禮點。關於居禮溫度請參先前這篇〈居禮式熱機〉;反磁性則參考這篇〈有趣的反磁性實驗〉。

先來瞭解一下何謂一鐘雙音

在鐘體正中位置上敲擊時會發出一個樂音(中鼓音),敲擊其側邊發出另一個三度諧音(側鼓音)。亦即敲擊正中位置時,該處為中鼓音的振動波腹區;敲擊其側邊時,敲擊點為側鼓音的振動波腹區。因此只要敲出中鼓音時,側邊恰好是中鼓音的振動波節區即可;同理,敲出側鼓音時,鐘體正中位置是側鼓音的振動波節區。如此即能讓一個鐘體能分別發出二個樂音而成為雙音鐘

就如同以下這則敲鋁棒的實驗,由於以手指抓住的部分會吸收振動,因此手抓住的位置就成為節點,鋁棒只能發出以該處為節點的諧波

這跟變聲鐘有何關連呢?一個閃過的念頭是:「變聲鐘在還沒加熱前,鐘體的正中位置是波節區,加熱後則變成允許振動的波腹區」,當加熱讓該處原先頂住的吸振物質與鐘體分開來達成發聲或許是個簡易的方法^^→『變音鐘』常溫下聲如木魚,隨著鐘下燃燒的香火越旺,敲出的聲音越高亢,原因是什麼? 這篇文章的作者之所以會有這樣的懷疑其實也算合理。

不過在先前這篇〈假硬幣〉中的實驗顯示出50元假硬幣的聲音聽起來柴柴的,小時候我們就是利用將硬幣丟在地上聽聲音來判斷是否為假硬幣

從這篇 “實測變聲鐘經敲擊後的音訊強度變化與溫度的關係“可以得知變聲鐘在常溫下發聲時間短,聲音容易衰減。加熱後 弛豫時間 拉長,亦即Sustain延音拉得很長

開發這款變聲鐘的盛宗毅教授,其專長領域在高阻尼錳銅合金研究,高阻尼合金(Damping Alloy) 是具有減少震動以及噪音的金屬合金材料,以該合金為原料發展機械設備將能夠運用在國防匿蹤、高精密設備防護等領域。高阻尼錳銅合金的優點是它具有很強的阻尼能力,其 阻尼 能力不會受到磁場的干擾, 這與鐵磁阻尼合金有很大的不同。錳銅基合金的高阻尼能力主要歸因於內部邊界的可動性,主要包括雙邊界和相邊界, 這是馬氏體轉化溫度下的相變,也就是熱彈性馬氏體相變。不過這個相變溫度並非居禮溫度,因為馬氏體相變沒有一個特定的溫度而是有一個溫度範圍,在母相冷卻時,奧氏體開始轉變為馬氏體的溫度稱為馬氏體開始形成溫度,以Ms表示;完成馬氏體轉變的溫度稱為馬氏體轉變終了溫度,以Mf表示。

結論:
變聲鐘是以高阻尼合金材料製成,在室溫下敲擊時,音量衰減得很快,而且缺乏高頻的金屬清脆聲。長時間加熱後,處於高溫奧氏體狀態下的合金會產生「超彈性」(Pseudoelasticity)行為,於是聲波在這種低阻尼的金屬內部就能持續傳遞較長時間而不易衰減,從而表現出餘音繞樑綿延不絕的傳統鐘聲。形狀記憶合金就是這種熱彈性馬氏體相變效應的應用。

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