Образовательный кейс «Терменвокс»

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
дополнительного образования «Детский технопарк «Кванториум»
г. Комсомольска-на-Амуре

Образовательный кейс «Терменвокс»

по дополнительной общеобразовательной общеразвивающей

программе «Проектные IT-технологии»

1 год обучения

Блок №2. Основы программирования

Тема № 3.3.2. Широтно-импульсная модуляция.

4 учебных часа

Составил: Черепанов А.А.,

педагог дополнительного образования МБОУ ДО Кванториум

г. Комсомольск-на-Амуре

2023 г.

1. Проблемная ситуация 3

2. Привязка к предметным областям знаний 3

3. Цель кейса, задачи кейса 4

4. Планируемые результаты кейса 5

5. Этапы реализации 5

6. Оборудование и детали 7

7. Список использованных источников 7

8. Рефлексия 7

9. Приложение 8

1. Проблемная ситуация

Терменвокс — один из первых электронных музыкальных инструментов, который по счастливой случайности изобрел наш соотечественник Лев Термен в 1920 году. В те годы, изобретатель трудился в Петрограде, в физико-техническом институте. Занимался разработкой способов измерения диэлектрической постоянной газов при различных температурах и давлениях. Тогда же, пытаясь увеличить чувствительность своей измерительной аппаратуры, Термен случайно обнаружил, что, когда разница между частотами двух генераторов попадает в звуковой диапазон — наблюдатель может слышать необычные звуки. В то далекое время, размышляя о музыке и музыкальных инструментах будущего, ученые стремились создавать уникальные устройства, которые превзойдут по своим характеристикам традиционные музыкальные инструменты. Терменвокс стал одним из культовых устройств, пронеся через век на своих плечах богатую историю и при этом сохранив свою актуальность и по сей день. Электромагнитное поле создают два генератора высокой частоты, которые встроены в инструмент. Один из генераторов имеет постоянную частоту, второй — переменную. Генератор с переменной частотой имеет антенну, которая реагирует на изменение расстояния между рукой музыканта и инструментом, и меняет частоту генератора. По итогу, из одной частоты вычитается вторая — и нашему слуху предстают чудесные звуки терменвокса.

Кейс-задание: используя знакомые электронные компоненты и элементы, необходимо собрать и проанализировать, простое устройство, использующее идеи Льва Термена. Действие музыкального инструмента будет проводится изменением высоты звучания бесконтактным путем, закрывая от света фоторезистор

1. Привязка к предметным областям знаний

Предметная область технология:

• формулировка проблемы и задачи;

• сборка, макетирование и монтаж;

• тестирование и оценка;

• техническое описание;

Предметная область математика:

• Построение зависимостей Амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);

• определение размеров цепи;

• расчет квадратной волны;

Предметная область физика:

• понятие колебания и звук;

• определение параметров различных типов фотосопротивлений;

• мощность

Предметная область информатика:

• составление блок-схемы

• презентационные материалы

1. Цель кейса, задачи кейса

Цель кейса: Изготовление простой конструкции, использующей принципы терменвокса.

Задачи кейса:

Предметные:

• выработать навыки применения средств IT-технологий в повседневной жизни;

• исследовать особенности проектируемого предмета, рассмотрев аналоги;

• составить общую схему и провести сборку устройства;

• протестировать и, в случае необходимости, доработать модель;

Метапредметные:

• развить стремление к получению качественного законченного результата;

• обучить навыкам конструирования сложных систем;

• расширить технический кругозор;

Личностные:

• провести профессиональное ориентирование учащихся;

• воспитать мотивацию к изобретательству, созданию собственных программных реализаций электронных устройств;

• развить коммуникативные навыки, умение работать в команде;

Продуктовые:

• провести макетирование и сборку устройства;

• выполнить электрические измерения;

• исследовать различные виды соединений фоторезистора;

Рекламные:

• закрепить умения создания презентаций на основе индивидуальных шаблонов;

• развить навыки ораторского искусства;

• развить последовательность логической аргументации оппонентам.

1. Планируемые результаты кейса

Soft Skills:

• умение находить, анализировать и использовать информацию;

• умение формулировать проблему и выдвигать гипотезы по ее решению;

• умение работать в команде;

• умение выражать собственное мнение, защищать его на основе привидения аргументов.

Hard Skills:

• умение работать с измерительными приборами;

• макетирование и сборка электрических цепей;

• навесной монтаж;

• работа с различными типами электронных компонентов;

• измерение электрических величин.

1. Этапы реализации

Дорожная карта кейса:

1. Оборудование и детали

• Цифровой или индукционный мультиметр.

• резисторы, пьезодинамик, кнопочный переключатель, соединительные провода, предохранитель, фоторезистор

• Плата Arduino UNO

1. Список использованных источников

• Гукин, Д. Программирование на C для чайников / Д. Гукин. - Москва: Диалектика, 2019. - 384 c. - ISBN: 978-5-907144-39-2

• Бокселл, Дж. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками / Дж. Бокселл. -Санкт-Петербург: Питер, 2016. -400 с. - ISBN: 978-5-496-02421-1

• Перышкин, А.В. Физика. 8кл: учебник / А.В. Перышкин. – Москва: Дрофа, 2019. – 238 с. - ISBN: 978-5-358-09884-8

• Amperka.ru

1. Рефлексия

Вопросы для проверки себя

1. Каким сопротивлением должен обладать фоторезистор, чтобы на аналоговый вход было подано напряжение 1 В?

2. Можем ли мы регулировать яркость светодиода, подключенного к 11-му порту, во время звучания пьезопищалки?

3. Что изменится в работе терменвокса, если заменить резистор на 10 кОм резистором на 100 кОм? Попробуйте ответить без эксперимента. Затем отключите питание, замените резистор и проверьте.

4. Каков будет результат вызова map(30,0,90,90,-90)?

5. Как будет работать вызов tone без указания длительности звучания?

6. Можно ли устроить полифоническое звучание с помощью функции tone?

1. Приложение

Пьезоизлучатель звука (англ. buzzer) переводит переменное напряжение в колебание мембраны, которая в свою очередь создаёт звуковую волну.

Пьезодинамик — это конденсатор, который звучит при зарядке и разрядке.

Основные характеристики

Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет громкость звука в зависимости от частоты управляющего сигнала, который и определяет высоту звучащей ноты.

Идеальная АЧХ — это прямая, т.е. одинаковая громкость вне зависимости от частоты. Но мир не идеален и разные виды излучателей имеют разные отклонения от идеала.

Для звучания нужно подавать на динамик квадратную волну. Какой частоты будет волна, такой частоты будет и звук

Принципиальная схема

Схема на макетной плате

Обратите внимание

• В данной схеме мы используем резистор нового номинала, посмотрите таблицу маркировки, чтобы найти резистор на 10 кОм или воспользуйтесь мультиметром

• Полярность фоторезистора, как и обычного резистора, не играет роли. Его можно устанавливать любой стороной

• В данном упражнении мы собираем простой вариант схемы включения пьезодинамика

• Полярность пьезопищалки роли не играет: вы можете подключать любую из ее ножек к земле, любую к порту микроконтроллера

• На Arduino Uno использование функции tone мешает использованию ШИМ на 3-м и 11-м портах. Зато можно подключить ее к одному из них

• Вспомните как устроен делитель напряжения: фоторезистор помещается в позицию R2 — между аналоговым входом и землей. Так мы получаем резистивный фотосенсор.