電磁攪拌器

這玩意兒大學理工系一定會有
尤其是化學系的絕對不陌生
但國高中幾乎就沒這東西了
但前一陣子做了大量的天氣瓶
忽然就覺得有一台攪拌器真的是很方便的一件事
好像多了一個助手一樣
理論上不難
攪拌子就是一個磁鐵
內部原則上是一個類似步進馬達的電磁鐵
可以依序產生磁場
就能帶動上方的攪拌子
換個角度想
我只要讓下方的磁場旋轉就好啦~~
想到就要作...

拆下光碟機的馬達
上方剛好有一個輪軸
方便黏貼上一個轉盤
轉盤就是瓶蓋
上方黏上兩個強磁
旋轉的磁場就有了

最後再找個盒子裝起來就對了

攪拌子用兩個強磁接起來
試一下合適的高度
太低會吸住
太高無法帶動
確定好高度後用熱熔膠固定

接上電池就能完美的旋轉了
切換電壓可以控制轉速

後記
攪拌子雖然表層有鍍膜
但長時間放在溶液中還是有可能會生鏽
還是找個吸管包裝一下
剛剛好耶~~
表面再塗上防水膠就完美了

想了想
還是讓它自帶電源比較方便
根據上面的測試
至少要3V以上才能驅動
所以用了兩個14500
接上開關和200歐姆電阻來調整電壓就可以無段變速了
搞定!!

針筒改裝酒精槍

酒精槍是經典了
通常用點火槍加養樂多瓶改裝
其實簡單用針筒就好

活塞就是子彈

針筒就是爆炸的地方
前端用熱溶膠封住

用打火機裏的壓電元件點火

方便多了
參考參考

焊接用夾具

電子零件焊接時常常就是少一隻手...
所以就用八爪章魚做了另一隻手
需要經常焊接的人可以參考看看
真的很實用
做法很簡單
看照片就知道了

管長與頻率_測量篇

之前提到泛音
就再深入討論一下吧
當我們輕吹管子(一端閉口)
會出現一個1/4波長的基音
但實際上在管內也會同時出現3/4、5/4、7/4、9/4等倍數的波長
如果用調音器就只能測出最主要的音頻
但改一下
若用音頻分析器就厲害了
音頻分析器可以到這裡下載
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.zephyr.soundAnalyserPRO
這個強大的軟體可以偵測出所有的音頻
以我作出的A3音調為例
下面是偵測出來的圖形

綠色部分就是信號較強的頻段

拉開可讀到基音頻率為225Hz

第一泛音668.5Hz，為基音的2.97倍

                                                       

第二泛音1146.6Hz，為基音的5.096倍

                                                       

第三泛音1552.6Hz，為基音的6.9倍

                                                           

第四泛音1992.6Hz，為基音的8.856倍

                                                       
這真是太強了，竟然到第四泛音都能偵測到
而且竟然這麼準!!
沒想到啊沒想到

後記
調一下響度範圍就更清楚了，有六個明顯的尖端，也就是第五泛音也抓到了

管長與頻率_實驗篇

最後再回到原先的問題
為什麼用力吹管子就會發出更高的音調？
這些音調彼此有什麼關聯性嗎？
直接先測看看再說
經驗指出…
太長或太短的管子要吹出較高的音調真是不容易啊~
長管子要吹出高音需要更多的氣，才能震動內部的空氣
目前氣血不足，搞到頭昏眼花也吹不出來
短管子則是需要更穩度更快速的氣
搞到快腦充血了
所以大概音調在E4~G4的管長最好吹
實測如下：
E4：輕吹約320Hz，用力吹約970Hz(約B5)
F4：輕吹約340Hz，用力吹約1025Hz(約C6)
G4：輕吹約380Hz，用力吹約1130Hz(約D6)
大概可以發現用力吹的頻率約是輕吹的3倍，多出19個音階

這可不是巧合啊~
回到最先駐波的圖形

開口的地方原則上就是振幅最大的地方
而閉口處就是節點
因此若輕吹
產生的駐波就是第一種形式，也就是管長為波長的1/4
若用力吹
產生的駐波就是第二種形式，也就是管長為波長的3/4
也就是說，用力吹時候
波長會變成原先的1/3
頻率當然也就變為3倍了

那再用力一點呢？
理論上就會變為5倍!!
我已經吹不出來了…

那麼，有沒有可能同時出現這些頻率的聲波呢？
當然有
而且幾乎都會出現
這些高出最低頻率的音調(基音)
就是所謂的泛音
我們最終聽到的聲音就是這些基本與泛音的合成波
也就產生了不同音色

再回到前一篇說的測聲速
實測結果如下：
E4管長26cm
輕吹頻率320Hz，得波長1.04公尺，波速332.8m/s
用力吹頻率970Hz，得波長0.347公尺，波速336.3m/s
F4管長24.3cm
輕吹頻率340Hz，得波長0.972公尺，波速330.5m/s
用力吹頻率970Hz，得波長0.324公尺，波速314.28m/s
G4管長21.8cm
輕吹頻率380Hz，得波長0.872公尺，波速331.4m/s
用力吹頻率1130Hz，得波長0.291公尺，波速328.5m/s

感覺上用力吹測出來的聲速比較低
但只有三組數據也不能說什麼
如果可以吹出5倍音頻…
應該可以有更多討論的空間
所以我說要買控play殺啊~~(我原先自己作的那台壓力不夠)

老婆~可以嗎…

管長與頻率_排笛篇

當然得先做出一個絕對音階的排笛出來囉
柯南這時候要上場了

我們普通人一般只能聽出相對音階
也就是說當你依序彈鋼琴上的七個白鍵
不管從哪個音開始彈
聽起來大概都像Do Re Mi Fa So La Si
只有音感特別好的人才會聽出其中的差別
所以要作出一個有音階順序(相對音階)的排笛很簡單
但絕對音階就必須經過設計了

維基百科可以查到絕對音階相對應的頻率
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9F%B3%E9%AB%98
再從上一篇我們提到的管長對應駐波形狀的圖形來看

若輕吹管子的上緣
產生的聲音就屬於左邊第一種的圖形
也就是1/4個波長
代入波速=波長 * 頻率
就可以算出相對應頻率所需要的管長了
以標準的A4(La)來說，頻率為440Hz
波速如果用340m/s來計算
管長約19.3公分
同樣的，常用音階對應的長度就可以都算出來了

我們裁了11根全音的管子
底部可以用膠帶封口(一端封口的管子比較好吹，兩端開口的設計比較複雜)
在上緣輕吹，就可以聽到音調了
怎麼確定產生的音調是對的呢？
去下載調音器的APP就好了
(https://play.google.com/store/apps/details?id=org.cohortor.gstrings&hl=zh_TW)
實際測出來的結果一定會有些許誤差
但還滿準的
當玩具夠用了，當樂器當然不及格

市面上賣的玩具小排笛也是如此
實際測量長度
大致都對應第七度的音階
不過人家把管子作成斜口
就好吹多了
(原來玩具不是亂作的...我誤會人家好久了)

不過，用吹的實在是他X的累
若將膠帶的封口拆掉，讓兩邊都是開口
將管子快速撞擊掌心
也可以產生一個短音
輕鬆多了!!

可以試試讓學生每個人負責一個音階
完全靠指揮來指定發聲的音階順序(其他的人都不知道樂譜)
指揮就必須能確實掌握這首歌曲的拍子
才能指揮出整首樂曲
再讓其他人來猜演奏的是什麼歌
應該會是很好玩的一件事!!

所以反過來說
也可以利用這樣的方法來計算聲速
任意找一根管子(一端閉口)
輕輕吹出聲音之後測量頻率(要輕輕吹喔，原因下一篇會說)
再將管長*4就是此時聲音的波長了(注意單位要換成公尺)
將波長乘上頻率，波速就出來囉!!
利用不同的管長多做幾次
再求出平均值
可信度就更高了

管長與頻率

前一陣子教聲音說到直笛的例子
"原則上"笛子越長(按壓的孔越多)音調就越低
學生從小就學過直笛
很容易產生連結
後來有學生私底下來問我
「老師~那為什麼直笛用力吹，音調也會變高？難道吹的力量也會改變音調的高低？」
好小子！這種問題也被追問出來了
"基本上"管樂器的長度就決定了頻率的高低
但"實際上"可能會更複雜一點
想要了解其中的原理
很多時候就非得話說從頭
沒有捷徑
這也是自然科學會讓許多人卻步的原因吧...
就是"沒.有.捷.徑."

空氣在管子裡振動到底發生了甚麼事？
如果是兩端都封口的管子會比較容易理解
當波動碰到一個障礙物就會有反射的現象
但反射波卻會和原先行進方向的入射波合成
就會使得介質(管內的空氣)內的某些位置不振動(節點)
包含在管子的兩端就會產生節點
也就形成所謂的駐波(standing wave)
頻率越高，產生的節點數量也會越多
有關駐波的現象之前有一篇_通通給我立正站好有討論過
有興趣的夥伴可以去看看

但管樂器不可能兩端封口啊~~(最常見的就是排笛或管風琴)
因此若管子其中一端是開口
那就會在開口的那一端產生最大的振幅
也就是"其中一個"波腹的位置
大概就像以下的圖形

所以管子越長，波長也就越長
在相同介質(波速相同)的情況下，頻率就會越小
因此就產生了管子越長，音調越低的結果

那為什麼吹得越用力，音調又會越高呢？
同樣的，為什麼敲鼓敲的越用力，音調卻不變？

最簡單的原因當然就是振動的介質種類不同
敲擊鼓面的介質就是鼓皮本身
鼓皮本身就有屬於自己的自然頻率
即使敲擊一下，就會產生固定頻率的振動
除非敲擊速度超過鼓皮振動的頻率
否則不管敲的多快，產生的音頻基本上都是一樣的
只是聽起來比較急而已

但管子發聲的振動體就是空氣本身
當空氣快速切過管子的外緣時
就會使內部的空氣產生振動
若外緣的空氣流動的速度越快
內部空氣振動的頻率就越快
聽到的音頻當然也會比較高
那這兩種音頻(速度快和速度慢)有甚麼關係嗎?
當然有!!
科學怎麼會放過這個有趣的現象
不小心寫太多了...
下一篇再用實驗來說明