1、 辽宁科技学院 大学物理学期论文 专业： XXXXXXX 作者： XXXXXX 完成日期： XXXX 年 XX 月 X 日 “同步 “节拍器 摘要： 在非线性科学中 ,同步是一种普遍存在的现象。无论是在自然界中 ,还是人为制造的理论或者环境中 ,都存在着各种各样的同步现象。早在 1673 年 ,惠更斯 (Huygens C)就发现了同步现象 ,从此人们便开始广泛的研究各种系统的同步现象。而发展到近代 ,机械节拍器相对于早期的钟摆有了长足的改进和发展。将若干个节拍器固定在不同材质的板子上 ,让节拍器随机的振动 ,经过短暂的摇摆后会耦合，针对这一现象进行物理研究。 关键词： 同步 节拍器 震动 耦
2、合 背景： 节拍器作为音乐教育的一种基本工具已比较成熟。在出现电气设备之 前就已得到 T 艮的传统节拍器包括机械部件，该机械部件用于以所希望的 节拍频率发出喀哒声。随着现代电子学的出现，现在可以产生非常精确的音频输出，或者，来自所述节拍器的输出信号可以利用可视指示器比如闪 烁光来传达，这对于聋人的音乐教育尤其有用。尽管通过技术可能实现的改进是有价值的，但它们一般只用来更好地 实现一种从根本上有缺陷的方法。具体地，明显从原始 4 支术期间保留下来 的节拍器的音频属性 T 音乐人的注意力，且至少在一些音乐环境中其效 率低下，因为音乐人不能清晰地听到音频信号。另外，音频信号对于听力 受损人员是完全不
3、适用的。尽管通过具有可视输出的节拍器至少已经解决了后一问题，但 是要注意可视指示器的使用要求音乐人完全记住他的或她 的音乐。此外，传统节拍器还是独立的。结果，对于指挥、乐队领队或带 领音乐人来说控制其它人使用的节拍器的输出是很麻烦的。还有这样的传统节拍器仅能由彼此靠近的多个音乐人使用。此外，几乎无法实现由多个音乐人，尤其是在演出会场内位于不同位置的音乐人或参加轮流吟唱演出的音乐人使用多个传统节拍器，因为无法同步和 /或交错 (Stagger )多 个节拍器的输出的定时。最后，传统节拍器没有提供由音乐人演奏管弦乐 队音乐选段的不同部分时的同步或时间交错的应用，这种应用中不同的 音乐人可根据不同的
4、节奏模式来演奏。 节拍器： （一种发出稳定节拍的机械） 节拍器是一种能在各种速度中发出一种稳定的节拍的机械、电动或电子装置， 1696年巴黎人 E.卢列创制第一架节拍器后，这种装置的种类很多，最普遍使用的是 1816年由奥地利人 J.N.梅尔策尔发明的节拍器。梅尔策尔的节拍器外形呈金字塔形，内部为时钟结构，有齿轮及发条，带动一摆杆，摆杆每次摆动结束时发出尖锐的“滴哒”声，这些滴哒声的速度可根据刻在摆杆上的游尺刻度上下移动摆锤，进行调整，其速度每分钟 40 210 拍。 原理分析： 关于同步的研究可以追溯 到 1665 年科学家惠更斯发现的两个挂钟挂在同一个木板上的反同步现象。之后很多科学家采用
5、音乐节拍器代替钟摆改进了惠更斯的实验，可以更加直观的准确的研究非线性系统的动力学行为。并因此发现了更为丰富的现象，包括完全同步，反同步，相同步，反相同步等。 音乐节拍器可以看做是一个倒力的力摆，通过改变摆长，就可以调节整个节拍器的频率，当把两个节拍器放在桌面上的时候，由于初始时指针位置不同，两个节拍器之间的声音就会杂乱无章，二者之间没有任何联系。但是如果把两个节拍器放在同一块玻璃板上，同时把玻璃板放在两个圆筒形的 PVC 管 子之上，当节拍器摆动的时候，会对玻璃板产生相应的作用力，玻璃板因此带动 PVC 圆管一起进行滚动，然而玻璃板的这种运动会对节拍器的摆动产生影响，从而，将节拍器耦合在一起。
6、具有这种耦合关系的两个节拍器会产生诸如同步，反同步，相同步，反相同步之间的关系。 实验仪器与装置： 两块长 40cm、宽 15cm 透明玻璃 两个长 15cm 左右的 PVC 圆形管 两个节拍器 两个光电门 电脑一台 记录用的纸和笔 实验步骤： 将第一片玻璃放在光滑平稳的桌子上（桌子一定要平，不然会对实验产生影响），然后将两个 PVC 圆形塑料管分别放在距离玻璃片中心的 7cm 处，然后小心的将第二片玻璃放在两个 PVC 圆形塑料管之上，使上下两片玻璃一齐，将两个节拍器对称的、平稳的放在第二片玻璃之上，然后将光电门分别放在节拍器的正前方方便测量与记录。当两个节拍器摆动时，由于本身的震动，会导致
7、上面的玻璃板（第二块玻璃板）的震动，因为上面的玻璃板的下面 是两个圆筒形的 PVC 塑料管，所以，上面的玻璃片就会沿着PVC 圆筒形塑料管滚动，观察现象。然后改变 PVC 圆筒塑料管的直径，重复试验，观察改变 PVC 圆筒塑料管的直径对实验的影响。（注：摩擦是一定存在的，改变 PVC 圆筒塑料管的直径就是要研究玻璃的滚动对节拍器耦合的影响。） 光电门原理： 工作原理是光照度改变使光敏电阻阻值的改变，而引起光敏电阻两端电压的改变。电压变化信号通过传感器传到计数器上计数计时。光电门一端有个线性光源，另一端有个光敏电阻，门中无物体阻挡时光照射到光敏电阻上。有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电
8、压。当门中有物体阻挡时，光敏电阻 受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。换而言之，当光电门传感器之间没有物体阻挡时，其内部电路断开；当光电门传感器之间有物体阻挡时，其内部电路接通。 光电门在本实验中的应用： 两个 光电门分别记录两个节拍器指针的摆动，当指针通过光电门时，接收端就会有一个脉冲信号，应用电脑软件就可以精确地测量两个节拍器的周期和相位差。从而可以进行数据分析。 改变 PVC 圆筒 塑料管的直径： 改变 PVC 圆筒塑料管的直径可以改变滑动摩擦力，从而观察同步与滑动摩擦之间的关系。 反同步：我们认为 实验结论： 随着实验可以得出结论，随着摩擦力的增加，对于随机的初始条件，同步
9、的次数逐渐减少，反同步的次数在不断增加。当大部分节拍器向左旋转的时候，玻璃就会整体向左移动，于是向右旋转的节拍器就会受到 板子移动的干扰，使其旋转幅度（时间）发生改变。而顺应大流的节拍器受到的影响则较少或反而有加成。最后的结果就是，摆动方向不同节拍器“奇迹般地”达成了意见统一。所以，如果节拍器在旋转时如果没有向板子施加反作用力（旋臂和重锤重量一致），或把这块板子固定牢靠，所谓的“注入同步”是根本不会实现的。这个实验利用常见的音乐节拍器和不同大小直径的 PVC 圆筒塑料管，就可以研究耦合在一起的两个节拍器之间的同步现象，通知通过控制变量法，改变某些参数，可以控制系统的同步状态，从而得出 满足一定条件后，节拍器就会在几分钟之内达到同步的 现象。 参考文献： 1百度图片 2腾讯视频截图 3惠更斯 (Huygens C)定理
