Розробка - доповнення до лабораторної роботи (9 клас): «Дослідження звукових коливань різноманітних джерел звуку за допомогою сучасних цифрових засобів»

 Доповнення до лабораторної роботи (9 клас) -  «Дослідження звукових коливань різноманітних джерел звуку за допомогою сучасних цифрових засобів» 

  Перед виконанням лабораторної роботи учням бажано дати можливість прослухати звучання різних звукових частот, починаючи з самої нижчої – 

16 Гц до крайньої високої – 20 кГц. Серед запропонованих на прослуховування буде і частота «Ля» першої октави і інших октав. Учні, що займаються в музичних школах виявлять частоту 440 Гц, серед інших частот. 

Можливо прослухати ноту «Ля» як синусоїдальні коливання, так і в формі Пподібного сигналу (меандр) і оцінити появу обертонів, тобто виявити появу тембру звуку (ноти «Ля»).

Можливо також міняти гучність звучання ноти «Ля» і виявити нижній поріг чутності.

Можливо також зробити аналіз чутливості людського вуха по частотам, особливу увагу приділити частотам 4000 Гц (4400 Гц) і 16000 Гц, при яких найбільша чутливість слуху.

Все це можливо повторити і за допомогою сучасних цифрових засобів - таким чином буде краще засвоєна тема: «Акустичні характеристики звуку». 

На комп’ютері доцільно показати огинаючі сигналів звучання різних музичних інструментів.

   Як додатковий засіб при вивченні теми, сконструйовано  генератор сітки частот, який не потребує налагодження і його можуть зробити радіоаматори початківці на гуртку «Радіоаматорів», або під керівництвом вчителя фізики на факультативних заняттях.

  Для налагодження музичних інструментів в даний час існують приладитюнери, однак вони досить дорогі і багато настройщиків користуються камертоном на 440 Гц (нота «Ля» першої октави). Є і губні «генератори» ноти «Ля». Але не складно виготовити високостабільний генератор на 440 Гц (рівномірно темперіроавний лад), яким користуватися значно зручніше і точність частоти значно вища. При користуванні таким генератором зручніше вловлювати биття при одночасному прослуховуванні звуків генератора і ноти «Ля» першої октави музичного інструменту. Настройщики з відносним музичним слухом не можуть зробити налаштування інструменту без прослуховування частоти 440 Гц. Слід зауважити, що в 1953 р «Міжнародна Організація по Стандартизації (ISO) прийняла лад « Ля » 440 Гц, як основний- концертний, а в інших країнах прийнято інші частоти ноти « Ля », так до, наприклад, в Індії, Японії - 432 Гц.

   Виготовити високостабільний генератор на 440 Гц не складно, причому для налаштування пристрою не потрібно ніяких приладів. Автор не претендує на новизну схемних рішень; подібні генератори із застосуванням кварцових резонаторів і подільники частоти радіоаматори часто використовують в кварцових калібратори. Блок-схема високостабільного генератора наведена на рис.1. Генератор виконаний з використанням  широко розповсюдженого кварцового резонатора на 308 кГц від аналогової апаратури ущільненняя, при цьому для отримання частоти 440 Гц необхідно застосувати коефіцієнт розподілу дорівнює 700 (7 × 10 × 10). Таким чином на виході отримаємо частоту 440,0 Гц, при стандарті 440 Гц; тобто похибка 0,00% (допускається 1%).

  Принципова електрична схема пристрою наведена на рис.1. на мікросхемі DD1 виконано генератор із застосуванням кварцового резонатора на 

308 кГц. На мікросхемі DD2 дільник частоти на 7, на DD3, DD4 дільник частоти на 100 і на виході отримано 440 Гц - це нота «Ля» першої октави октави. На мікросхемах DD5.1, DD5.2, DD6.1, DD6.2 (дві мікросхеми К155ТМ2) виконано дільник частоти на 16 і на виході отримано частоти: 

220 Гц (мала октава), 110 Гц (велика октава), 55 Гц (контрактова октава), 27,5 Гц субконтрактова октава). Частоту 440,0 Гц з виходу через емітерний повторювач на VT2 подано на смуговий фільтр на L1, С16, С17, С18, L2, де виділяється перша гармоніка з П- образного сигналу, отриманого після подільників частоти, і подається на підсилювач низької частоти на мікросхемі DA1. Підсилювач низької частоти виконаний за стандартною схемою на мікросхемі К174УН4Б. Бажана гучність звучання встановлюється за допомогою потенціометра R4. На транзисторі VT1, резистори R1, стабілітрон VD1, і конденсаторах С3, С4 виконаний стабілізатор напруги на 5 В для живлення мікросхем. Конденсатори С5 ... С10 встановлюються при монтажі біля корпусів мікросхем і запаюються на ± 5 В. Дані котушок L1, L2; феритовий броньовий сердечник з μ = 2000 типу Б22, W1 = 90 витків дроту ПЕВ-2 ø 0,112 мм, W2 = 800 витків дроту ПЕВ-2 ø 0,112 мм. Сумарна ємність конденсатора С16 для отримання частоти 440,0 Гц становит  0,72 мкф (0,5 МКФ + 0,22 мкф), сумарна ємність конденсатора С18 для отримання частоти 440,0 Гц також становит 0,72 мкф (0,5 МКФ + 0,22 мкф). Слід зауважити, що конденсатори мають великий допуск по ємності ± 10%, тому при повторенні пристрою можливо виникне необхідність трохи змінити ємність контурів. За допомогою підлаштування сердечників котушок L1 і L2 можливо змінювати частоту контуру в межах ± 50 Гц. Налаштування контурів можливо зробити по максимальній гучності звучання ноти «Ля», сердечниками котушок L1, L2. Якщо виявиться, що сердечник буде в крайньому положенні, то необхідно змінити величину ємності С16 або С18. При викрученому осерді збільшити ємність, а при ввернутом- зменшити.   Якщо застосувати кварцовий резонатор ZQ1 на 1,4 МГц, то отримаємо

сітку

частот: 20000 Гц, 2000 Гц, 1000 Гц, 500 Гц, 250 Гц, 112,5 Гц для експерименту в прослуховуванні різних частот і крайньої «високої» частоти 20000 Гц слуху людей.   

 Якщо застосувати кварцовий резонатор ZQ1 на 180 кГц, то отримаємо сітку частот: 2571 Гц, 257 Гц, 128,6 Гц, 64,28 Гц, 32,14 Гц, 16,07 Гц для експерименту в прослуховуванні різних частот і крайньої «нижньої» частоти 16 Гц слуху людей. Слід зауважити, що діапазон частот чутності у різних

людей різний і це не є вадою – так в людей похилого віку зазвичай зменшується крайня «висока» частота до 14…15 кГц. Не всі люди чують «нижню» частоту 16 Гц – а чують частоти тільки від 20…23 Гц.  При бажанні можливо збільшити кількість змінних кварцевих резонаторів і тоді сітка 

частот поповниться – так наприклад, з кварцевим резонатором на 205,3 кГц після ділення на 700 отримаємо частоту 293,28 Гц (частота ноти «Ре» першої октави 293,7 Гц) – різниця між частотами складає 0,2%, що є допустимо. Після ділення частоти тригерами на 2 - отримаємо частоти ноти «Ре» і в інших октавах: малій, великій, контрактовій і субконтраковій. Необхідну частоту подається на вхід підсилювача  за допомого одинарного провідника з   роз’ємами. Так для подачі синусоїдального сигналу ноти «Ля» необхідно з’єднати провідником з роз’ємами гнізда Гн.3  і  Гн.4 і т. д..   

Пристрій живиться напругою ±9 В і споживає струм близько 50 мА. Пристрій змонтовано в корпусі від трансляційного радіоприймача.

Література:

1. Якубовский С. В. и др. Цифровые и аналоговые микросхемы.      Справочник-  М., изд. «Радио и связь» 1989 г.

Автор: Бабин Дмитро Святославович