Tricky Circuit

Частота, форма импульсов и высота звука

Собери тон из двух уровней

Высота звука описывает, насколько он высокий или низкий. Частота f считает циклы за секунду; Hz (hertz) — герц, один цикл в секунду. Прямоугольная волна переключается между 0 и V; при 50% получается симметричный меандр (square wave). Заполнение D — процент высокого уровня. Период T — один цикл; ms (millisecond) — миллисекунда, 1/1000 секунды.

Открыть интерактивный опыт

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТОЛ

Меняй настройки схемы, предсказывай показания и проверяй решение задания. Это учебные модели; допущения объяснены в каждом уроке.

Войди, чтобы сохранять прогресс. Прогресс гостя хранится на этом устройстве.

Открыть лабораторию в полном окне

Почему это работает

Piezo — piezoelectric, пьезоэлектрический: напряжение меняет форму материала, позволяя ему колебаться и создавать звук. Модель считает время и среднее напряжение, а не громкость или ток пьезоэлемента. Прослушивание — короткий тон браузера, не физическая модель пьезо. Устройства могут звучать по-разному на одной частоте.

Piezo — сокращённое piezoelectric, пьезоэлектрический: материал меняет форму от напряжения и может колебать воздух, создавая звук. V — высокий уровень в вольтах, D — доля высокого времени в процентах, Vmean — среднее за время. Изменение D меняет форму, а не f. При 50% оба уровня равны по длительности.

Сложность

  1. Собери · Собери

    Включи с f = 200 Hz, D = 50% и V = 5 V. Получи T = 5 ms и Vmean = 2.5 V.

    Нужна подсказка?

    f = 200 Hz; D = 50%; V = 5 V → T = 5 ms; Vmean = 2.5 V

  2. Исследуй · Измени команду

    Задай f = 1000 Hz, D = 25% и V = 5 V. Получи T = 1 ms и Vmean = 1.25 V.

    Нужна подсказка?

    f = 1000 Hz; D = 25%; V = 5 V → T = 1 ms; Vmean = 1.25 V

  3. Реши сам · Реши задачу

    Задай f = 500 Hz, D = 75% и V = 4 V. Получи T = 2 ms и Vmean = 3 V.

    Нужна подсказка?

    f = 500 Hz; D = 75%; V = 4 V → T = 2 ms; Vmean = 3 V

Дополнительные материалы и карточки схем

Собери тон из двух уровней

Повторяющееся включение и выключение может стать писком. Сначала предскажи время на графике, затем послушай частоту, если воспроизведение доступно.

T = 1000 / f ms; Vmean = V × D / 100

В каждом цикле уровень высокий D% времени, остальное время — ноль. Среднее равно V, умноженному на эту долю. Частота задаёт повторения; звучание зависит также от устройства.

Полезная закономерность

Удвоение частоты сокращает период вдвое: при 200 Hz это 5 ms, при 400 Hz — 2.5 ms. Высота импульсов при этом может оставаться прежней.

За пределами модели

Настоящий пьезоэлемент имеет механические резонансы и зависит от частоты. Одно среднее электрическое напряжение не показывает уровень звука.

Ошибка, которой стоит избежать

Среднее 2.5 V не означает постоянные 2.5 V на проводе: волна чередует 0 и 5 V. Большее среднее напряжение не всегда означает более громкий тон.

При f = 200 Hz и V = 5 V измени D с 50% до 25%. Что получится?

  1. T останется 5 ms; Vmean станет 1.25 V
  2. T станет 2.5 ms
  3. частота станет 100 Hz
Читать дальше

Заполнение сокращает высокий участок того же цикла. Среднее падает, частота цикла прежняя.

Собери

Задай 200 Hz, 50% и 5 V. Равные высокий и низкий участки дают среднее 2.5 V.

f = 200 Hz; T = 5 ms; Vmean = 2.5 V

Измени команду

Задай 1000 Hz, 25% и 5 V. Цикл длится 1 ms, высокий участок 0.25 ms, среднее 1.25 V.

f = 1000 Hz; T = 1 ms; Vmean = 1.25 V

Попробуй другой путь

При 5 V и 50% сравни 200 и 400 Hz, сначала предсказав период. Затем оставь частоту и меняй заполнение: различай форму импульса и частоту повторений.

ti.com