樂音振動平臺

1、樂音振動平臺設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)講義（草）編寫：封玲物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心2011.3.樂音振動平臺系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樂器的樂音是利用管、弦、膜、板等的振動形成的，振動體都有一個(gè)基頻和多個(gè)諧頻?；l決定振動體的音調(diào)，而各諧頻則決定其音色?；l相同的各振動體，其諧頻的能量分布可以不同， 所以音色不同。例如小提琴和鋼琴同奏基頻為440Hz （ A 調(diào)），其音調(diào)是相同的，但聽起來音色不同，就是因?yàn)檫@兩種樂器所包含的諧頻不同所致。對于音樂性質(zhì)的研究如基頻的大小、 諧頻的分布、 音質(zhì)的好壞、樂器材料性質(zhì)等等都是物理測量。樂器的制造實(shí)際上是一件發(fā)聲的物理儀器的制造，讓我們從研究振動頻率起步，追溯美妙樂音產(chǎn)生的根源。儀器平臺電動

2、音叉裝置：固定頻率音叉（ 101.6HZ） 1 個(gè)，電磁線圈啟振裝置及固定木架1 個(gè)、固定滑輪1 個(gè)；可調(diào)音叉：固有頻率可調(diào)節(jié)音叉1 個(gè)；弦音計(jì)組裝裝置：整套包括起振線圈1 個(gè)、檢振線圈1 個(gè)，弦音計(jì) （ WA-9611_9613） 1個(gè)，信號發(fā)生器（EE1641B1） 1 個(gè)、功率放大器（CI-6552A ） 1 個(gè)、直流電源（GPS-1850D）1 個(gè)，示波器1 個(gè)，在組裝好的裝置上可進(jìn)行弦音計(jì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。智能弦振動實(shí)驗(yàn)儀（XZDY-C）：集成化的臺式實(shí)驗(yàn)儀，可在其上進(jìn)行弦音計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。技術(shù)參數(shù)：使用電源及頻率為220V± 10%，50HZ± 5%；功率 <15V

3、A；正弦波輸出頻率為15220HZ；分辯率為0.1HZ；正弦波失真度<1%。光電門 （ ME-9498A）：光電門也稱為光電開關(guān)，利用狹窄的紅外光束和快速的下降時(shí)間為計(jì)時(shí)提供精確的信號。當(dāng)光門的光被擋住時(shí)，與光門相連的數(shù)字通道為0 電壓狀態(tài)； 光門透光時(shí)，與光門相連的數(shù)字通道為5V 電壓狀態(tài)。光門傳感器相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字毫秒計(jì)，它通過測量固定擋光寬度（S）和擋光時(shí)間(t) ，從而可以得到該物體經(jīng)過光門時(shí)的運(yùn)動速度( vS / t )。動圈式傳聲器2 個(gè)：由線圈切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，將聲信號轉(zhuǎn)化為電流信號輸出。電容式傳聲器2 個(gè)：由極板間距改變影響電容電壓改變，將聲信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。壓電

4、陶瓷片2 個(gè)：由壓電材料將壓力的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。其他配件：不同線密度金屬弦線、砝碼若干（弦音計(jì)配套）、配線、導(dǎo)線等；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目聲音的振動設(shè)計(jì)內(nèi)容：聲音的本質(zhì)是振動，也具有波形的特征。人耳可以分辨出樂音與噪聲，利用平臺提供的設(shè)備，讓我們看看各種聲音的區(qū)別吧。設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案觀察樂音與噪聲波形，測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加深對聲音的認(rèn)識并從物理學(xué)的角度探討音樂審美的內(nèi)在機(jī)制。題目頻率與音調(diào)設(shè)計(jì)內(nèi)容：人耳能聽到的聲波即“音調(diào)”的頻率一般在20赫茲到 20000赫茲之間，而給人類美妙樂感的“音調(diào)”頻率范圍遠(yuǎn)比這范圍要小，所以研究聲波頻率對人類的生活非常重要。日常生活經(jīng)驗(yàn)定

5、性表明： 比較沉悶的聲音頻率較低, 比較尖銳的聲音頻率較高. 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量聲音基頻，得出頻率與音調(diào)的關(guān)系。設(shè)計(jì)要求：1、改變振動體基頻，并測量其基頻，判斷音調(diào)的高低與其振動頻率的關(guān)系。提示 1：選用不同的振動頻率固定且基頻單一的振動體（如音叉），測量基頻。提示 2：采用振動頻率連續(xù)可調(diào)的振動體（如弦線），改變弦長或張力以改變振動體的基頻。提示 3：通過在燒杯內(nèi)加水改變其頻率，形成一系列不同頻率的“加水燒杯”。提示 4：通過音頻信號發(fā)生器，外接喇叭調(diào)節(jié)聲音頻率。題目金屬弦線的共振模式設(shè)計(jì)內(nèi)容： 駐波是一種波的疊加現(xiàn)象，它廣泛存在于管、弦、膜、板的振動中，可用來確定振動系統(tǒng)的固有頻率，在聲學(xué)、無線

6、電學(xué)和光學(xué)等學(xué)科中，都有重要的應(yīng)用，也可以用來測定波長、波速等。在弦音計(jì)上改變弦線的各種條件觀察弦線上形成的駐波（即共振模式）及其改變，研究各類條件的改變對弦線共振模式的影響。提示：弦音計(jì)裝置， 讓金屬弦線通以可調(diào)頻率的交變電流，在磁場中受安培力而激發(fā)弦的振動， 實(shí)驗(yàn)時(shí)在磁場的作用下， 通有正弦交變電流的弦線就會振動， 根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)交變電流頻率， 從而得到不同的弦線振動頻率。 移動磁鐵的位置， 使弦振動調(diào)整到最佳狀態(tài) （弦振動的振動面與磁場方向完全垂直） 。弦音計(jì)裝置可改變弦線長度、 弦線張力、 及更換弦線。設(shè)計(jì)要求：1、理解產(chǎn)生駐波的原理，觀察弦線共振形成的駐波；2、觀察弦線振動頻率與形

7、成駐波的關(guān)系，設(shè)計(jì)方案得到弦線基頻；3、觀察同一根弦線其長度、所受張力等條件改變對該弦線基頻的影響；4、分析測量數(shù)據(jù)，得到弦線共振頻率與駐波變化關(guān)系、弦線線長與駐波變化關(guān)系、弦線張力與駐波變化關(guān)系。題目 電動音叉固有頻率的測量設(shè)計(jì)內(nèi)容 ：利用電磁鐵激發(fā)音叉振動帶動弦線振動起來，觀察駐波進(jìn)行音叉固有頻率測量。提示：音叉的振動利用電磁鐵來激發(fā)，電源E 的一端接音叉，另一端通過開關(guān)K、電磁鐵 B 的)，線圈和可調(diào)螺絲 K 與音叉相接， 調(diào)節(jié)K ，使之與音叉接觸， 則電路接通 (音叉本身作一導(dǎo)線電磁鐵吸引音叉，當(dāng)音叉被吸動后，螺絲與音叉便不在接觸， 電流中斷，電磁鐵失去吸引音叉的作用， 音叉又回到原來

8、的位置。這樣反復(fù)作用的結(jié)果，就使音叉按其固有頻率振動起來。電動音叉固有頻率測量裝置圖設(shè)計(jì)要求：1、 利用電動音叉裝置，設(shè)計(jì)具體方案測量音叉固有頻率，并與其標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。提示： 如使用壓電轉(zhuǎn)換法（如壓電陶瓷片） 、聲電轉(zhuǎn)換法（如動圈式傳聲器、電容式傳聲器等、聲光轉(zhuǎn)換法（如選用硅光電池、激光器等組成實(shí)驗(yàn)裝置）測量音叉的固有頻率、或拍頻法測量音叉固有頻率。綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)題目影響弦線振動基頻的因素設(shè)計(jì)內(nèi)容對大量物理現(xiàn)象的觀察、 分析以及對一定的物理量進(jìn)行測量的基礎(chǔ)上，透過現(xiàn)象， 抓住本質(zhì)， 從物理現(xiàn)象中總結(jié)歸納出物理規(guī)律，這是實(shí)驗(yàn)科學(xué)中經(jīng)常用到的方法歸納法。設(shè)弦線的線密度為、弦線長度為 L 和弦線張

9、力為 T ，這三個(gè)量決定了弦線的振動基頻f 0 。本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)就是研究、 L 、 T 與 f0的關(guān)系，假設(shè)其關(guān)系式為 f 0 AL T ，利用弦振動實(shí)驗(yàn)儀，設(shè)計(jì)方案由實(shí)驗(yàn)歸納出公式中的四個(gè)常數(shù)、 、 、 A ，得到影響弦線振動基頻的經(jīng)驗(yàn)公式。提示：弦振動實(shí)驗(yàn)儀（如圖所示） ，是利用金屬弦通以可調(diào)頻率的交變電流在磁場中受安培力而激發(fā)弦的振動， 并且?guī)в袛?shù)字顯示頻率的新型的關(guān)于橫波傳播的教學(xué)儀器。實(shí)驗(yàn)時(shí)在和間接上弦線， 將電源接通。這樣在磁場的作用下，通有正弦交變電流的弦線就會振動。根據(jù)需要，可以調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕，從顯示器上讀取所需頻率。移動磁鐵的位置，使弦振動調(diào)整到最佳狀態(tài)（弦振動的振動面與磁場

10、方向完全垂直）。移動劈尖的位置，可以改變弦長L 。A8B9101234567 接線柱（接弦線） 頻率顯示 電源開關(guān) 頻率調(diào)節(jié)旋鈕 磁鋼 砝碼 米尺 弦線（銅絲） 滑輪及托架A 、 B 兩劈尖（滑塊）智能弦振動實(shí)驗(yàn)儀（XZDY-C）面板圖設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)方案測量弦線線密度與弦線基頻f 0 的對應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)與 f 0 關(guān)系，得到；2、設(shè)計(jì)方案測量弦線長度L 與弦線基頻 f0的對應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)L 與 f0 關(guān)系，得到；3、設(shè)計(jì)方案測量弦線張力T 與弦線基頻 f0的對應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)T 與 f 0 關(guān)系，得到；4、計(jì)算公式中的 A 值；5、比較推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式與理論公式，并進(jìn)行適當(dāng)分析。題目：聲波的干涉發(fā)聲

11、裝置： 信號發(fā)生器一個(gè)、阻抗型號大小相同的喇叭一對或同頻率的音叉一對測量裝置： 動圈式傳聲器一個(gè)、導(dǎo)軌一個(gè)、小車一個(gè)、速度傳感器一個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容：兩個(gè)喇叭與信號發(fā)生器的輸出端并聯(lián)連接，以發(fā)出同頻聲波產(chǎn)生干涉。調(diào)節(jié)好兩喇叭之間的距離L ，在距 L 的中垂線為r 處放置導(dǎo)軌（如圖PO 直線上），將動圈式傳聲器固定在小車上，用速度傳感器拉動小車在導(dǎo)軌上移動。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率f，使兩個(gè)聲源產(chǎn)生聲波干涉，在直線PO 的方向上會產(chǎn)生聲波的極強(qiáng)和極弱交替的現(xiàn)象。通過速度傳感器調(diào)節(jié)小車的速度v, 然后開啟測聲設(shè)備測量聲波的大小。選取所測聲波相鄰兩個(gè)極小值的時(shí)刻，算出兩極小值之間的時(shí)間t, 那么可以算出兩個(gè)相鄰聲

12、波極小值相距x=vt 的距離。由干涉條件公式r rr( xL ) 2r 2( xL )2r 2n1222且兩極小值相鄰，即n=1,可以算出聲音的波長和聲速v 聲f題目音叉固有頻率的研究設(shè)計(jì)內(nèi)容：音叉是一種振動頻率已知的聲學(xué)器件，有許多方法可以測量音叉的共振頻率。其基音很強(qiáng)，泛音很弱， 所以其共振頻率是音叉性質(zhì)和其共振環(huán)境性質(zhì)的最佳體現(xiàn)。當(dāng)改變音叉性質(zhì)，如改變音叉雙臂質(zhì)量，或改變音叉所處環(huán)境，其固有頻率均會有改變，如音叉液位傳感器就是通過音叉浸入液體，其固有頻率改變來檢測出不同的液位。讓我們對音叉的固有頻率進(jìn)行研究吧。研究方向：1、音叉浸沒在各類不同液體中時(shí)，其固有頻率的將發(fā)生怎樣的變化，探索音

13、叉固有頻率隨液體密度變化的規(guī)律；2、音叉在同一液體不同液位高度時(shí)，其固有頻率的將發(fā)生怎樣的變化，探索音叉固有頻率隨液體位置變化的規(guī)律；3、改變音叉雙臂質(zhì)量， 其固有頻率的將發(fā)生怎樣的變化， 可進(jìn)行同一位置添加不同質(zhì)量后，音叉固有頻率變化規(guī)律的研究， 以及不同位置添加相同質(zhì)量， 音叉固有頻率變化規(guī)律的研究；并由此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行物體質(zhì)量的測量。設(shè)計(jì)內(nèi)容音色與諧頻吉他上一根弦線,兩固定端距離 L=0.5m ，不按手指彈奏，發(fā)出樂音頻率f 1=440HZ ，要使彈奏樂音的頻率 f2=1100HZ ，手指應(yīng)按在什么位置？基諧頻波長： 1=2L ， 2=2L，由于波速不因弦長變化而改變，故：v= 1f1= 2f2 ，2Lf1=2L f2,L =f1L/f2=0.2m設(shè)計(jì)內(nèi)容音名的確定人類生活的空間充滿著各種各樣的波，而各種頻率的聲波組成了波的一個(gè)重要分支，它既給人類帶來快樂又給人類帶來煩惱。人耳能聽到的聲波即“音調(diào)” 的頻率一般在20赫茲到20000赫茲之間，而給人類美妙樂感的“音調(diào)”頻率范圍遠(yuǎn)比這范圍要小，所以研究聲波中的頻率對人類的生活非常重要。本實(shí)驗(yàn)是通過在燒杯內(nèi)加水，以改變其頻率，通過多個(gè)組合使其形成一系列不同頻率的“加水燒杯”，從而組成有趣的打擊樂器來演奏簡單的樂曲。另外在確定每個(gè) “