自制音調與頻率的關系演示儀

牛威+何宇紅

【摘 要】自制音調與頻率的關系演示儀創新的運用了變速齒輪與障礙物之間的摩擦直接表現出不同頻率對音調的影響。

【關鍵詞】音調；頻率

在孫阿明、劉靜所寫的“‘音調與頻率關系的演示實驗設計”一文中[1]，曾用低頻信號發生器控制頻率，用便攜式電腦小音箱作為聲源，來演示“音調與頻率關系”。本人借鑒了這種設計思路，為了追求更好的演示效果，在此基礎上進行了一系列的改進，設計了一套完整的實驗裝置，對“音調”以及“音調與頻率的關系”進行了直觀的演示，而且還能演示其他一些聲現象。

將低頻信號發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，這樣可以在視覺和聽覺兩方面加深學生的印象，更加直觀的演示“音調與頻率關系”。

實驗裝置原理如圖1所示，該裝置通過齒輪與鋁片的摩擦進行發聲，然后通過電流控制電路板來控制電機的轉速，進而控制齒輪與鋁片摩擦發聲的頻率。這樣通過調節變頻旋鈕就可以模擬不同頻率下，摩擦發聲的不同，即音調的不同。

儀器所用材料：

電機、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”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，通過調節電流控制旋鈕，使齒輪與鋁片摩擦振動的頻率連續變化。這時，齒輪與鋁片摩擦發出的聲音可以是低沉的也可以發出尖銳的甚至是刺耳的，音調變化十分顯著。由此，學生可以深刻地感受到聲音可高可低，具有“音調”這樣的特性。

（2）演示“音調與頻率的關系”：接通電源，通過調節電流旋鈕，使齒輪與鋁片摩擦振動的頻率連續變化。可以觀察到：蝴蝶振動速度發生變化的同時，聲音的音調也發生了變化。蝴蝶振動加快，音調變高；振動變慢，音調變低。這樣不僅強化了學生的直觀感受，而且有利于學生“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“音調與頻率的關系”外，還可以演示其他一些聲現象，而且效果也相當不錯。如演示“聲音是由于物體的振動產生的”，齒輪與鋁片摩擦發聲的同時，蝴蝶也在振動，齒輪與鋁片不發生摩擦時，裝置不發聲，蝴蝶振動停止。借助于這一現象，學生可以猜想到：聲音可能是由于物體的振動產生的。

本裝置的實驗過程與數據分析：

表1實驗數據表明，調動的度數越大，頻率就會越大，聲音就越刺耳，音調就越大。

表2表明在不改變電流控制旋鈕的調動度數下，實驗數據論證表明，齒輪數越多越密，聲音振動頻率越大，音調就越高。

結論：綜上所述，電流控制旋鈕調動度數越大，頻率就越大；頻率越大，齒輪數越密，聲音振動就越大；聲音振動越大，音調就越高。

本裝置的優點：

（1）既可以演示了“音調與頻率的關系”，又可以演示聲學的其他理論。

（2）采用了變速齒輪與鋁片之間的摩擦直接表現出不同頻率對音調的影響。

（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，通過控制電流來改變電機轉速，進而改變齒輪與鋁片之間的振動頻率，讓演示效果更明顯。

（5）試驗裝置設計簡單，但可以非常直觀地觀察到“音調與頻率的關系”等物理現象。

參考文獻：

[1]孫阿明，劉靜.“音調與頻率關系”的演示實驗設計[J].物理教學探討.2015，（5）.33

通信作者：

何宇紅，延邊大學理學院物理系。