乐音振动平台

1、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

2、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 <15V

3、A；正弦波输出频率为15220HZ；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( vS / t )。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

4、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

5、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

6、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

7、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 (音叉本身作一导线电磁铁吸引音叉，当音叉被吸动后，螺丝与音叉便不在接触， 电流中断，电磁铁失去吸引音叉的作用， 音叉又回到原来

8、的位置。这样反复作用的结果，就使音叉按其固有频率振动起来。电动音叉固有频率测量装置图设计要求：1、 利用电动音叉装置，设计具体方案测量音叉固有频率，并与其标准值进行比较。提示： 如使用压电转换法（如压电陶瓷片） 、声电转换法（如动圈式传声器、电容式传声器等、声光转换法（如选用硅光电池、激光器等组成实验装置）测量音叉的固有频率、或拍频法测量音叉固有频率。综合设计类实验题目影响弦线振动基频的因素设计内容对大量物理现象的观察、 分析以及对一定的物理量进行测量的基础上，透过现象， 抓住本质， 从物理现象中总结归纳出物理规律，这是实验科学中经常用到的方法归纳法。设弦线的线密度为、弦线长度为 L 和弦线张

9、力为 T ，这三个量决定了弦线的振动基频f 0 。本实验的目标就是研究、 L 、 T 与 f0的关系，假设其关系式为 f 0 AL T ，利用弦振动实验仪，设计方案由实验归纳出公式中的四个常数、 、 、 A ，得到影响弦线振动基频的经验公式。提示：弦振动实验仪（如图所示） ，是利用金属弦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， 并且带有数字显示频率的新型的关于横波传播的教学仪器。实验时在和间接上弦线， 将电源接通。这样在磁场的作用下，通有正弦交变电流的弦线就会振动。根据需要，可以调节频率调节旋钮，从显示器上读取所需频率。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

10、方向完全垂直）。移动劈尖的位置，可以改变弦长L 。A8B9101234567 接线柱（接弦线） 频率显示 电源开关 频率调节旋钮 磁钢 砝码 米尺 弦线（铜丝） 滑轮及托架A 、 B 两劈尖（滑块）智能弦振动实验仪（XZDY-C）面板图设计要求：1、设计方案测量弦线线密度与弦线基频f 0 的对应关系，推导与 f 0 关系，得到；2、设计方案测量弦线长度L 与弦线基频 f0的对应关系，推导L 与 f0 关系，得到；3、设计方案测量弦线张力T 与弦线基频 f0的对应关系，推导T 与 f 0 关系，得到；4、计算公式中的 A 值；5、比较推导的经验公式与理论公式，并进行适当分析。题目：声波的干涉发声

11、装置： 信号发生器一个、阻抗型号大小相同的喇叭一对或同频率的音叉一对测量装置： 动圈式传声器一个、导轨一个、小车一个、速度传感器一个设计内容：两个喇叭与信号发生器的输出端并联连接，以发出同频声波产生干涉。调节好两喇叭之间的距离L ，在距 L 的中垂线为r 处放置导轨（如图PO 直线上），将动圈式传声器固定在小车上，用速度传感器拉动小车在导轨上移动。调节信号发生器频率f，使两个声源产生声波干涉，在直线PO 的方向上会产生声波的极强和极弱交替的现象。通过速度传感器调节小车的速度v, 然后开启测声设备测量声波的大小。选取所测声波相邻两个极小值的时刻，算出两极小值之间的时间t, 那么可以算出两个相邻声

12、波极小值相距x=vt 的距离。由干涉条件公式r rr( xL ) 2r 2( xL )2r 2n1222且两极小值相邻，即n=1,可以算出声音的波长和声速v 声f题目音叉固有频率的研究设计内容：音叉是一种振动频率已知的声学器件，有许多方法可以测量音叉的共振频率。其基音很强，泛音很弱， 所以其共振频率是音叉性质和其共振环境性质的最佳体现。当改变音叉性质，如改变音叉双臂质量，或改变音叉所处环境，其固有频率均会有改变，如音叉液位传感器就是通过音叉浸入液体，其固有频率改变来检测出不同的液位。让我们对音叉的固有频率进行研究吧。研究方向：1、音叉浸没在各类不同液体中时，其固有频率的将发生怎样的变化，探索音

13、叉固有频率随液体密度变化的规律；2、音叉在同一液体不同液位高度时，其固有频率的将发生怎样的变化，探索音叉固有频率随液体位置变化的规律；3、改变音叉双臂质量， 其固有频率的将发生怎样的变化， 可进行同一位置添加不同质量后，音叉固有频率变化规律的研究， 以及不同位置添加相同质量， 音叉固有频率变化规律的研究；并由此设计方案进行物体质量的测量。设计内容音色与谐频吉他上一根弦线,两固定端距离 L=0.5m ，不按手指弹奏，发出乐音频率f 1=440HZ ，要使弹奏乐音的频率 f2=1100HZ ，手指应按在什么位置？基谐频波长： 1=2L ， 2=2L，由于波速不因弦长变化而改变，故：v= 1f1= 2f2 ，2Lf1=2L f2,L =f1L/f2=0.2m设计内容音名的确定人类生活的空间充满着各种各样的波，而各种频率的声波组成了波的一个重要分支，它既给人类带来快乐又给人类带来烦恼。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，所以研究声波中的频率对人类的生活非常重要。本实验是通过在烧杯内加水，以改变其频率，通过多个组合使其形成一系列不同频率的“加水烧杯”，从而组成有趣的打击乐器来演奏简单的乐曲。另外在确定每个 “