自制音調(diào)與頻率的關(guān)系演示儀

牛威+何宇紅

【摘 要】自制音調(diào)與頻率的關(guān)系演示儀創(chuàng)新的運(yùn)用了變速齒輪與障礙物之間的摩擦直接表現(xiàn)出不同頻率對(duì)音調(diào)的影響。

【關(guān)鍵詞】音調(diào)；頻率

在孫阿明、劉靜所寫的“‘音調(diào)與頻率關(guān)系的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”一文中[1]，曾用低頻信號(hào)發(fā)生器控制頻率，用便攜式電腦小音箱作為聲源，來(lái)演示“音調(diào)與頻率關(guān)系”。本人借鑒了這種設(shè)計(jì)思路，為了追求更好的演示效果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)“音調(diào)”以及“音調(diào)與頻率的關(guān)系”進(jìn)行了直觀的演示，而且還能演示其他一些聲現(xiàn)象。

將低頻信號(hào)發(fā)生器改為電流控制電路板，降低了成本；將聲源由便攜式電腦小音箱改成了齒輪與鋁片的摩擦，這樣可以在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)兩方面加深學(xué)生的印象，更加直觀的演示“音調(diào)與頻率關(guān)系”。

實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示，該裝置通過(guò)齒輪與鋁片的摩擦進(jìn)行發(fā)聲，然后通過(guò)電流控制電路板來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制齒輪與鋁片摩擦發(fā)聲的頻率。這樣通過(guò)調(diào)節(jié)變頻旋鈕就可以模擬不同頻率下，摩擦發(fā)聲的不同，即音調(diào)的不同。

儀器所用材料：

電機(jī)、齒輪、鋁板片、電流控制電路板、仿真蝴蝶（冰箱貼）。

本裝置演示方法：

（1）演示聲音具有“音調(diào)”這一特性：如圖2所示，將仿真蝴蝶用膠水粘鋁片上。接通電源，通過(guò)調(diào)節(jié)電流控制旋鈕，使齒輪與鋁片摩擦振動(dòng)的頻率連續(xù)變化。這時(shí)，齒輪與鋁片摩擦發(fā)出的聲音可以是低沉的也可以發(fā)出尖銳的甚至是刺耳的，音調(diào)變化十分顯著。由此，學(xué)生可以深刻地感受到聲音可高可低，具有“音調(diào)”這樣的特性。

（2）演示“音調(diào)與頻率的關(guān)系”：接通電源，通過(guò)調(diào)節(jié)電流旋鈕，使齒輪與鋁片摩擦振動(dòng)的頻率連續(xù)變化?？梢杂^察到：蝴蝶振動(dòng)速度發(fā)生變化的同時(shí)，聲音的音調(diào)也發(fā)生了變化。蝴蝶振動(dòng)加快，音調(diào)變高；振動(dòng)變慢，音調(diào)變低。這樣不僅強(qiáng)化了學(xué)生的直觀感受，而且有利于學(xué)生“頻率” 概念的建立。

（3）本裝置演示用途拓展：

此套裝置除了可以很好地演示“音調(diào)與頻率的關(guān)系”外，還可以演示其他一些聲現(xiàn)象，而且效果也相當(dāng)不錯(cuò)。如演示“聲音是由于物體的振動(dòng)產(chǎn)生的”，齒輪與鋁片摩擦發(fā)聲的同時(shí)，蝴蝶也在振動(dòng)，齒輪與鋁片不發(fā)生摩擦?xí)r，裝置不發(fā)聲，蝴蝶振動(dòng)停止。借助于這一現(xiàn)象，學(xué)生可以猜想到：聲音可能是由于物體的振動(dòng)產(chǎn)生的。

本裝置的實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析：

表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，調(diào)動(dòng)的度數(shù)越大，頻率就會(huì)越大，聲音就越刺耳，音調(diào)就越大。

表2表明在不改變電流控制旋鈕的調(diào)動(dòng)度數(shù)下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)論證表明，齒輪數(shù)越多越密，聲音振動(dòng)頻率越大，音調(diào)就越高。

結(jié)論：綜上所述，電流控制旋鈕調(diào)動(dòng)度數(shù)越大，頻率就越大；頻率越大，齒輪數(shù)越密，聲音振動(dòng)就越大；聲音振動(dòng)越大，音調(diào)就越高。

本裝置的優(yōu)點(diǎn)：

（1）既可以演示了“音調(diào)與頻率的關(guān)系”，又可以演示聲學(xué)的其他理論。

（2）采用了變速齒輪與鋁片之間的摩擦直接表現(xiàn)出不同頻率對(duì)音調(diào)的影響。

（3）采用了在鋁片上粘仿真蝴蝶的方法使演示效果更直觀。

（4）采用了電流控制電路板，通過(guò)控制電流來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變齒輪與鋁片之間的振動(dòng)頻率，讓演示效果更明顯。

（5）試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但可以非常直觀地觀察到“音調(diào)與頻率的關(guān)系”等物理現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫阿明，劉靜.“音調(diào)與頻率關(guān)系”的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討.2015，（5）.33

通信作者：

何宇紅，延邊大學(xué)理學(xué)院物理系。