2017年1月16日 星期一

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


2017年1月13日 星期五

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…

2017年1月12日 星期四

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

2017年1月11日 星期三

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

2017年1月7日 星期六

簡易焊接抽氣裝置

經常焊接的人就知道
焊錫在高溫時容易產生一些廢氣
聞久了真的不舒服
所以在工作台就作了一個抽氣機

但偶而在學校或研習時就沒有了
戴上口罩是最簡單的方式
但還是希望有一台簡易可攜帶的抽氣機
前一陣子捕蚊燈壞了

放了幾天忽然有了靈感
就改造成了抽氣機
加上透明遮罩

原本上面的支撐架變成底座


裡面再塞了海綿
過濾效果不錯
氣味少了許多

有需要的人推薦可以試試

2017年1月1日 星期日

EMP第二彈_簡易遙控裝置

前一篇的EMP裝置干擾了電子元件的正常運作
所謂正常運作和不正常運作其實指的是同一件事
反過來說
EMP也可以讓電器「正常運作」
我們將鋁箔揉成小球放在底片盒中
鋁箔球只有些微接觸的情況下
經常是不導電的情況
如果附近突然有一個電磁脈衝
就有可能會改變鋁箔球接觸點的金屬排列狀況
(詳細情況我也不甚明白,再請高手指點了)
反而產生了我們要的通路
若再有一個搖晃
又換變為原先的不通路狀態
也就是說
我們的EMP變成了一個遙控裝置
當然加上手機
我就可以變成遠端遙控



EMP的產生器在我們身邊就有
那就是電子打火機的壓電元件

影片如下
壓電元件通電後產生EMP
LED就亮了
輕敲桌面又熄了

若用原先我們作的高壓產生器
也有相同的效果
但因為是持續產生EMP
所以開啟的狀態輕敲桌面也無法熄掉LED



2016年12月31日 星期六

這不是馬蓋先之EMP

(請注意:以下言論許多都以馬迷角度發言,不喜好者請勿觀看)

上週AXN撥出新版馬蓋先(看完之後有一個聲音一直告訴我,這不是馬蓋先!!這不是馬蓋先!!這不是馬蓋先!!)
其中第一段的科學應用(這才是重點,卻被胡亂帶過)就是利用電磁鐵來干擾警衛的無線電
製作細節影集沒有交代(可能怕被罵吧)
但從畫面上,馬蓋先拿出來的應該只是單純用電池連接電磁鐵而已

天啊!!這不是馬蓋先,這不是馬蓋先,這不是馬蓋先

沒錯,線圈通電會產生磁場
當然同時間也會產生電磁波(但必須是變動磁場,這又是另一件事了)
電磁波如果夠強,頻率又對
理論上就會影響電子產品(其他非電子元件的電器幾乎不受影響)
但一般的通電可沒辦法產生如此強大的電磁波
基本上要能夠產生影響電子元件大概要到電磁脈衝的等級才有可能
電磁脈衝(Electromagnetic Pulse,EMP)顧名思義就是一個極短暫的高能電磁波
通常是核爆、閃電、或其他超高壓裝置瞬間釋放能量所伴隨產生的電磁場
EMP經常出現在許多電影情節中
不過通常都太誇大了
但EMP卻是真實存在的,不是科幻小說的情節

要能夠製造出EMP的首要條件就是高壓
看影片的裝置
應該沒有高壓產生器
單純用電池,,要在1公尺內影響電子產品
功率也絕對不夠
天啊!!第一集就搞成這樣...

我們利用之前的高壓產生器(用高壓電寫字)當作發射器
再用實心銅線繞成線圈(不要用漆包線,電壓太高了,漆包線無法絕緣)
高壓線的其中一端接上線圈
另一端連接上開關再和電源相接



試試看我們作的EMP
計算機很容易被影響
一般計算機被影響的很嚴重

工程用計算機必須按下開關才會有明顯的影響
不然就要更接近才行


數位型的撥放器也是
有些會變成快轉

有些甚至直接當機

當然也會影響FM的收訊

這才是EMP

忽然覺得理化老師要被列管...

2016年12月19日 星期一

昆蟲觀察盒&玄機杯

我喜歡拼拼湊湊的東西
就像是積木一樣的概念
許多東西莫名其妙組在一起它就是剛剛好
我也不知道為什麼
大家彷彿說好的一樣...

之前因緣際會買了一批超級便宜的38mm平凸透鏡(一個不到5元)
因為是壓克力的
雖然光學效果不是很好
但直覺告訴我它就是個好東西

買了一堆
之前狂送給一些科學同好
自己也剩下沒幾個留下來玩
沒想到放到50ml的燒杯"將將好"

根本就像量身訂做
這能幹嘛~~
我也不知道...

後來又在五金行發現化妝品用的分裝罐(一組25元)

媽媽咪啊~~
雖然大了一些些,但也是剛剛好
兩層的分裝罐
焦距竟然對得剛剛好
剛好可以當作昆蟲觀察罐
手邊沒東西
先用50元硬幣權充一下
因為下層是透明的
打光也很方便


想起之前輔導團秀玲老師分享的玄機杯
放張紙在下層的杯底
遠看不成形
裝入水之後...
因為水和壓克力的折射率差不多
讓原本壓克力平凸透鏡變成一整塊的水(或也可以稱為一整塊的壓克力)
就可以觀察到內層的圖案了




完全不用加工
就是剛剛好
很多人問過我
那如果沒有剛剛好呢?
ㄜ~~~
A計畫都成功了
我怎麼會知道B計畫是什麼??

2016年12月10日 星期六

用高壓電寫字

好久以前買了冷光燈管作實驗
冷光燈管需要高壓電才能啟動
所以需要再買一個啟動開關
大該有3KV左右

之前就利用這個啟動開關在閃光燈裡面產生一條可見的電流

我喜歡沒事坐在實驗室裡
玩著玩著就會有靈感
發現這個高壓電產生的溫度還真不是普通的高!!
保守估計在針尖處至少有千度以上

如果在木板上用鉛筆先塗上痕跡
高壓電就會沿著鉛筆易導電的地方燒出美麗的圖案
這種科學造成的美真的讓人無法抵擋
或許也只有我們這種無可救藥的科學人懂得欣賞吧...
別說科學人理性得讓人討厭
我們也有屬於我們無可救藥的浪漫啊~~







2016年12月7日 星期三

網路實驗別亂做啊

最近開始上熱學
就會開始看到有人在傳類似這種影片
(之前還有一個版本是烤香腸的,不過找不到了)

廢物利用是很好
但這真的不好啊~~

首先
鋁罐的內層並非金屬鋁
為了讓鋁罐可以更耐酸鹼
內層會有一層塗膜
(南亞塑膠官網資料,http://www.npc.com.tw/j2npc/zhtw/prod/Extrusion%20Coating%20Copolyester%20Resin[Type%20No.386E])
其實仔細觀察就會發現
用三用電表量量看
也是不會過電
雖然這層膜耐酸耐鹼
但可經不起直接加熱這樣的摧殘啊
直接加熱的結果勢必會將這層聚酯膜熔入食物中
會不會死人我不知道
但鐵定百害而無一益

就算很勤勞的把內層的膜去除掉
OK了嗎?
想想看
為甚麼現在的食品容器一直在強調使用304或316的不鏽鋼?
鋁鍋不是輕巧又便宜嗎?

食物在鋁鍋的烹煮過程中可能釋放出少量的"鋁離子"(主要還是接觸到強酸或強鹼的緣故,但一般烹調其實不太會是強酸或強鹼環境)
而鋁離子"可能"又是阿茲海默症的原因之一(不過,此說法應該是被推翻了)
(維基百科資料,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%98%BF%E5%85%B9%E6%B5%B7%E9%BB%98%E7%97%85)
但除了"鋁離子",鋁鍋在加熱使用過程中也會溶出"鋁元素"
雖然"鋁元素"對人體的危害也尚未有明確的定論
(國家環境毒物研究中心,http://nehrc.nhri.org.tw/toxic/toxfaq_detail.php?id=17)
話是這麼說
只是....
心裡那關過不去啊~~

總之
實在不建議用易開罐(鋁罐)直接加熱烹調食物
網路實驗,看看就好
杯杯有練過,小朋友不要學

對流方向的觀察_加高版

上一篇對流方向的觀察如果仔細看
下降的氣流還算明顯
但上升的氣流就只能在煙囪出口的地方看得到了
高度當然是個主要的問題
高度不夠,溫差就不明顯,對流也就出不來
所以當初為了解決這個問題
降低了熱源的高度
但似乎還是不夠
索性直接疊兩層上去
理論上應該可以看到上升的氣流
理論都只是理論
試試看就知道了




果然效果不錯
右側明顯出現沉降氣流
左側因為下方有熱源
所以出現上升氣流
定案,可以上菜了