以实验探讨电吉他的电磁学及声学.PDFVIP

物理教育學刊 Chinese Physics Education 20 17, 第十八卷第二期, 53-68 2017, 18(2), 53-68 10.6212/CPE.2017.1802.04 以實驗探討電吉他的電磁學及聲學 鄧善友 劉上傑 黃思端 林麟杰 嚴祖強* 國立中山大學 物理系 *通訊作者：yentc@mail.nsysu.edu.tw （投稿日期：民國 105 年 10 月18 日，接受日期：105 年 11 月21 日） 摘要 ：電吉他是熱門音樂中的重要樂器，各種音樂場合也使用了越來越多的電子 樂器，使得學生和一般人對電吉他等電子樂器的工作原理很感興趣。本研究將以 實驗探討電吉他的物理原理，並且和古典吉他的物理原理比較。研究結果顯示︰ 電吉他的拾音器是一組磁鐵及線圈，藉由金屬弦的作用而產生聲音，可以做為電 磁學中『電流與磁場的交互作用』很好的應用。在聲學方面，電吉他則和古典吉 他完全不同，兩者的比較可以幫助學生對於聲音的物理性質有更深入的了解。 關鍵詞 ：吉他、電流、磁場、聲音 壹、前言 人耳所感覺的樂音主要由三個因素所構成，即響度、音調和音色，一般稱之為樂音的三 要素。 一、 響度：聲音的大小，決定於物體的振動幅度，亦即振幅大小。 二、 音調：聲音的高低，決定於發音體振動的頻率，亦即音調高低。 三、 音色：聲音的特色，決定於聲音的波形。 以上這些要素就是進行本研究的主要依據。其中，音色是一般人最難量化和比較的因素，這 個研究中將利用數學工具藉以得到更好的預測及觀察音色的方式。 古典吉他跟電吉他在發聲原理方面，都是源自於吉他弦的振動，但是聲音的產生方式卻 有很大的差異。古典吉他的的弦在振動後，會藉由共振箱的下弦枕把振動的能量傳給共振 箱，而共振箱就會被“強迫”振動，發出同一頻率的聲音，但是聲音的音色卻會受共振箱的 材質、形狀、大小所影響。電吉他的發聲原理利用了法拉第定律和安培定律；電吉他的弦一 定要用金屬弦，更準確地說，必須是可以磁化的材質。電吉他弦的正下方會有一個稱作拾音 器(pick up)的元件；拾音器是由其中央的柱狀小磁鐵以及磁鐵外圍緊密纏繞數千圈的漆包線 鄧善友 、劉上傑 、黃思端 、林麟杰 、嚴祖強 所組成。拾音器中的磁鐵會磁化其上方的金屬弦；被磁化的金屬弦彈動後，金屬弦會振動並 且接近或遠離磁鐵，使得拾音器線圈中的磁場產生同一頻率的變化，並且由法拉第定律在線 圈中產生同一頻率的感應電動勢。有了這個感應電動勢的電訊號後，把它接上喇叭就可以發 出弦的聲音了。 貳、實驗原理 在電吉他與古典吉他中，吉他弦的振動都扮演著非常重要的角色，因此接下來將探討吉 他弦的運動。 吉他弦可視為兩端固定的一條繩子，彈動弦後會在這兩固定端間產生駐波。(1)式為一維 波動方程式： 2 2  y 1  y 2 2 2 (1) x v t 其中，y 為振福，x 為水平位置，t 為時間，v 為波速。首先假設振幅為x 、t 的函數，如(2)式： y ( x , t ) X ( x ) T ( t ) (2) 將(2)