音で表す電圧・電流計と実験(1998/9/15)


今回作成した装置の回路図を図1に表した。文中では音で表す電圧・電流計と表現することにした。

装置の設計上の特徴

 fout =(VIN/2.09)*(Rs/RL)*(1/RtCt)..式(1)

 装置の発する音をキーボードの音程と調律するために式のR抵抗を可変抵抗とした。装置の性能を確認するためにシンクロスコープを使い振動数と電圧の関係を求めた。その測定データーを表1とグラフ1に表した。


表1,電圧と振動数の関係              表2、電圧と音階の関係

電圧(v)

Hz

電圧(v)

Hz

電圧(v)

Hz

音階

Hz

V

音階

Hz

V

0.1

90.91

1.1

416.67

2.1

714.29

A

440

1.34

E

659

1.97

0.2

111.11

1.2

434.78

2.2

740.74

#A

466

1.39

F

698

2.12

0.3

142.86

1.3

476.19

2.3

769.23

B

493

1.4

#F

740

2.23

0.4

166.67

1.4

500.00

2.4

800.00

C

523

1.53

G

784

2.39

0.5

200.00

1.5

555.56

2.5

833.33

#C

554

1.6

#G

831

2.56

0.6

227.27

1.6

588.24

2.6

869.57

D

587

1.74

A2

880

2.7

0.7

277.78

1.7

625.00

2.7

909.09

#D

622

1.89

0.8

312.50

1.8

606.06

2.8

952.38

0.9

333.33

1.9

645.16

2.9

1000.0

1.0

357.14

2.0

666.67

3.0

1052.6

  

グラフ1(表1のグラフ) グラフ2(表2のグラフ)



図1,音で表す電圧・電流計の回路図 写真1,制作した電圧・電流計


回路の電源は006p電池を使い、7805で5vに変換する電源回路が付属されている。

(回路や利用上の特徴について)

a,LM331の入力部に電圧が掛かっていないとき、発生する音の振動数が不安定となることから、測定待機中は入力端子の+−を接触させ測定時に切り離すリセットスイッチを付けた。スイッチ1である。これにより計測時のみ入力電圧が掛かることから説明中の雑音や生徒の集中力を維持するなどの効果があった。

b、同様の装置で電流を計測できるようにするためにスイッチを使って入力端子間に1Ωの抵抗を組み入れるようにし、V=R・Iの関係より1Ωの抵抗間に電流が流れたときの電圧に変換することで測定している。(スイッチ2)電流についての計測が可能になることで複数の使い方が可能となった。 

c,音で表す電圧・電流計の圧電ブザーの音量では演示実験として利用する際、教室全体に聞こえないことからコンピューター用のアンプを使って増幅して利用した。このことにより利用する場所にあった音の大きさを決めることができることから多目的な利用が可能となった。

,音の高さを判定するためにはおもちゃのキーボードを使って音の高さを比較する方法をとった。ただし、今回利用したキーボードは鍵盤と音程の間にずれがあったことから、ピアノと調を比較して新たに音階を書き加えて利用した。なお、音程のずれはまったくなかった。

,音による電圧・電流計での演示実験がどのように行われるのかを生徒全員に見えるようにするために磁石を使って、実験する道具を黒板に張り付けて利用するようにした。音で表す電圧・電流計をアンプやキーボードとセットした状態を写真2に掲載した。

 写真2、授業で利用したセットの写真

 

2),音で表す電圧・電流計を使った演示実験のために実験と器具

(実験1)電圧と音程を比較する実験

 演示実験用の装置について

  単1電池2本と100Ωを図2のように直列に3個つないだ回路を作り抵抗の直列回路による分圧の原理によって1V、2V、3Vの電圧が出せる装置を作成する。実験の様子が生徒全体に見えるように磁石をボードに取り付けて黒板に張り付くようにして利用した。ボードの材料は発砲スチロールを使った。写真3に計測の様子を掲載した。

 実験方法

 4.授業での結果を表3に掲載する。おおよそ2倍、3倍の関係があることが理解できる。

 

図2、1,2,3Vを発生させる回路 写真3、実験の様子


  表3,電圧と音程の関係  

電圧(デジタルテスター)V

0.98

1.95

2.93

音      程

 d

 A

振  動   数 Hz

293.66

587

880

 

 (実験2)抵抗の直列回路・並列回路の電圧と電流を確かめる実験  

   演示実験用の装置について

    図3に記載したように、抵抗の直列・並列回路をつくる。磁石を利用して黒板に張り付けることができるようにして利用した。利用の様子を写真3に掲載した。ボードの材料は発砲スチロールを利用した。

    実験方法

表4,直列・並列回路の各地点の音程を求めたデータ

回路

直列

試験項目

電圧

電流

計測場所

AB

BC

AC

AB

BC

AC

音程(振動数)

 

(220Hz)

(220Hz)

(440Hz)

(440HZ)

(440HZ)

(440Hz)

回路

並列

試験項目

電圧

電流

計測場所

AB

CD

EF

A

F

音程(振動数)

 

A

(440Hz)

(440HZ)

(440Hz)

(220HZ)

(220Hz)

(440Hz)

    

(抵抗の直列回路)       抵抗の並列回路 )

 

  写真3、抵抗の直列・並列回路の実験中の様子

 

 (実験3)メートルブリッジの実験

演示実験用の装置について

   基準抵抗器(市販)とニクロム線80cmを使って図4のような回路を組み立てる。実験装置が全体に見えるように磁石を使って黒板に張り付けられるようにした。ボードには

   発砲スチロール板を使った。

 実験方法

基準抵抗 1Ω  a=60cm   b=20cm

    計算上の未知抵抗 0.33Ω

    テスターでの計測 0.3Ω

未知抵抗としては針金を利用している。

     この結果から実験結果と実測値がほぼ合っていることがわかる

図4、メーイトルブリッジ

 

(実験4)等電位面の実験

 演示実験用の装置について

等電位面導電紙を平らにして板に張り付け平行に導線を張ったものと導線を円にし導電紙に張り付け、中心に点上に導線を取り付けたものを作成した。

  実験方法

を写真6に掲載した。

 

図5、導電紙の回路図   写真6、 実験中の写真

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