自制音调与频率的关系演示仪

牛威+何宇红

【摘 要】自制音调与频率的关系演示仪创新的运用了变速齿轮与障碍物之间的摩擦直接表现出不同频率对音调的影响。

【关键词】音调；频率

在孙阿明、刘静所写的“‘音调与频率关系的演示实验设计”一文中[1]，曾用低频信号发生器控制频率，用便携式电脑小音箱作为声源，来演示“音调与频率关系”。本人借鉴了这种设计思路，为了追求更好的演示效果，在此基础上进行了一系列的改进，设计了一套完整的实验装置，对“音调”以及“音调与频率的关系”进行了直观的演示，而且还能演示其他一些声现象。

将低频信号发生器改为电流控制电路板，降低了成本；将声源由便携式电脑小音箱改成了齿轮与铝片的摩擦，这样可以在视觉和听觉两方面加深学生的印象，更加直观的演示“音调与频率关系”。

实验装置原理如图1所示，该装置通过齿轮与铝片的摩擦进行发声，然后通过电流控制电路板来控制电机的转速，进而控制齿轮与铝片摩擦发声的频率。这样通过调节变频旋钮就可以模拟不同频率下，摩擦发声的不同，即音调的不同。

仪器所用材料：

电机、齿轮、铝板片、电流控制电路板、仿真蝴蝶（冰箱贴）。

本装置演示方法：

（1）演示声音具有“音调”这一特性：如图2所示，将仿真蝴蝶用胶水粘铝片上。接通电源，通过调节电流控制旋钮，使齿轮与铝片摩擦振动的频率连续变化。这时，齿轮与铝片摩擦发出的声音可以是低沉的也可以发出尖锐的甚至是刺耳的，音调变化十分显著。由此，学生可以深刻地感受到声音可高可低，具有“音调”这样的特性。

（2）演示“音调与频率的关系”：接通电源，通过调节电流旋钮，使齿轮与铝片摩擦振动的频率连续变化。可以观察到：蝴蝶振动速度发生变化的同时，声音的音调也发生了变化。蝴蝶振动加快，音调变高；振动变慢，音调变低。这样不仅强化了学生的直观感受，而且有利于学生“频率” 概念的建立。

（3）本装置演示用途拓展：

此套装置除了可以很好地演示“音调与频率的关系”外，还可以演示其他一些声现象，而且效果也相当不错。如演示“声音是由于物体的振动产生的”，齿轮与铝片摩擦发声的同时，蝴蝶也在振动，齿轮与铝片不发生摩擦时，装置不发声，蝴蝶振动停止。借助于这一现象，学生可以猜想到：声音可能是由于物体的振动产生的。

本装置的实验过程与数据分析：

表1实验数据表明，调动的度数越大，频率就会越大，声音就越刺耳，音调就越大。

表2表明在不改变电流控制旋钮的调动度数下，实验数据论证表明，齿轮数越多越密，声音振动频率越大，音调就越高。

结论：综上所述，电流控制旋钮调动度数越大，频率就越大；频率越大，齿轮数越密，声音振动就越大；声音振动越大，音调就越高。

本装置的优点：

（1）既可以演示了“音调与频率的关系”，又可以演示声学的其他理论。

（2）采用了变速齿轮与铝片之间的摩擦直接表现出不同频率对音调的影响。

（3）采用了在铝片上粘仿真蝴蝶的方法使演示效果更直观。

（4）采用了电流控制电路板，通过控制电流来改变电机转速，进而改变齿轮与铝片之间的振动频率，让演示效果更明显。

（5）试验装置设计简单，但可以非常直观地观察到“音调与频率的关系”等物理现象。

参考文献：

[1]孙阿明，刘静.“音調与频率关系”的演示实验设计[J].物理教学探讨.2015，（5）.33

通信作者：

何宇红，延边大学理学院物理系。