音叉弦线振动类设计.doc

乐音振动平台 设计性实验讲义（草） 编写：封玲 物理教学实验中心 2011.3. 乐音振动平台系列设计实验 乐器的乐音是利用管、弦、膜、板等的振动形成的，振动体都有一个基频和多个谐频。基频决定振动体的音调，而各谐频则决定其音色。基频相同的各振动体，其谐频的能量分布可以不同，所以音色不同。例如小提琴和钢琴同奏基频为440Hz（A调），其音调是相同的，但听起来音色不同，就是因为这两种乐器所包含的谐频不同所致。对于音乐性质的研究如基频的大小、谐频的分布、音质的好坏、乐器材料性质等等都是物理测量。乐器的制造实际上是一件发声的物理仪器的制造，让我们从研究振动频率起步，追溯美妙乐音产生的根源。 仪器平台 电动音叉装置：固定频率音叉（101.6HZ）1个，电磁线圈启振装置及固定木架1个、固定滑轮1个； 可调音叉：固有频率可调节音叉1个； 弦音计组装装置：整套包括起振线圈1个、检振线圈1个，弦音计（WA-9611_9613）1个，信号发生器（EE1641B1）1个、功率放大器（CI-6552A）1个、直流电源（GPS-1850D）1个，示波器1个，在组装好的装置上可进行弦音计的相关实验。 智能弦振动实验仪（XZDY-C）：集成化的台式实验仪，可在其上进行弦音计相关实验。 技术参数：使用电源及频率为220V±10%，50HZ±5%；功率15VA；正弦波输出频率为15～220HZ；分辩率为0.1HZ；正弦波失真度1%。 光电门（ME-9498A）：光电门也称为光电开关，利用狭窄的红外光束和快速的下降时间为计时提供精确的信号。当光门的光被挡住时，与光门相连的数字通道为0电压状态；光门透光时，与光门相连的数字通道为5V电压状态。光门传感器相当于一个数字毫秒计，它通过测量固定挡光宽度（S）和挡光时间(t)，从而可以得到该物体经过光门时的运动速度()。 动圈式传声器2个：由线圈切割磁场产生感应电流，将声信号转化为电流信号输出。 电容式传声器2个：由极板间距改变影响电容电压改变，将声信号转化为电压信号输出。 压电陶瓷片2个：由压电材料将压力的变化转换成电压的变化，实现力电转换。 其他配件：不同线密度金属弦线、砝码若干（弦音计配套）、配线、导线等； 基础设计性实验 题目 声音的振动 设计内容： 声音的本质是振动，也具有波形的特征。人耳可以分辨出乐音与噪声，利用平台提供的设备，让我们看看各种声音的区别吧。 设计要求： 1、设计实验方案观察乐音与噪声波形，测量数据进行分析，加深对声音的认识并从物理学的角度探讨音乐审美的内在机制。 题目 频率与音调 设计内容： 人耳能听到的声波即“音调”的频率一般在20赫兹到20000赫兹之间，而给人类美妙乐感的“音调”频率范围远比这范围要小，所以研究声波频率对人类的生活非常重要。日常生活经验定性表明：比较沉闷的声音频率较低,比较尖锐的声音频率较高.设计实验测量声音基频，得出频率与音调的关系。 设计要求： 1、改变振动体基频，并测量其基频，判断音调的高低与其振动频率的关系。 提示1：选用不同的振动频率固定且基频单一的振动体（如音叉），测量基频。 提示2：采用振动频率连续可调的振动体（如弦线），改变弦长或张力以改变振动体的基频。 提示3：通过在烧杯内加水改变其频率，形成一系列不同频率的“加水烧杯”。 提示4：通过音频信号发生器，外接喇叭调节声音频率。 题目 金属弦线的共振模式 设计内容：驻波是一种波的叠加现象，它广泛存在于管、弦、膜、板的振动中，可用来确定振动系统的固有频率，在声学、无线电学和光学等学科中，都有重要的应用，也可以用来测定波长、波速等。在弦音计上改变弦线的各种条件观察弦线上形成的驻波（即共振模式）及其改变，研究各类条件的改变对弦线共振模式的影响。 提示：弦音计装置，让金属弦线通以可调频率的交变电流，在磁场中受安培力而激发弦的振动，实验时在磁场的作用下，通有正弦交变电流的弦线就会振动，根据需要可以调节交变电流频率，从而得到不同的弦线振动频率。移动磁铁的位置，使弦振动调整到最佳状态（弦振动的振动面与磁场方向完全垂直）。弦音计装置可改变弦线长度、弦线张力、及更换弦线。 设计要求： 1、理解产生驻波的原理，观察弦线共振形成的驻波； 2、观察弦线振动频率与形成驻波的关系，设计方案得到弦线基频； 3、观察同一根弦线其长度、所受张力等条件改变对该弦线基频的影响； 4、分析测量数据，得到弦线共振频率与驻波变化关系、弦线线长与驻波变化关系、弦线张力与驻波变化关系。 题目　电动音叉固有频率的测量 设计内容 ：利用电磁铁激发音叉振动带动弦线振动起来，观察驻波进行音叉固有频率测量。 提示： 音叉的振动利用电磁铁来激发，电源E的一端接音叉，另一端通过开关K、电磁铁B的线圈和可调螺丝K’与音叉相接，调节K’，使之与音叉接触，则电路接通