CN101958073A - 声音特性综合实验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声音特性综合实验仪，它的透明圆管内带有电加热器和温度计，透明圆管内一端安装扬声器，扬声器与机内自带的音频信号发生器相连，另一端可反射声波，从而形成驻波。透明圆管内有一套可移动的话筒组合装置，话筒与话筒信号放大器相连，话筒信号放大器与音频电压表相连，通过改变话筒的位置，可快速方便地找到驻波的波节位置，从而测量声音特性或演示驻波现象，它还可显示环境声音的频率及强度，并可作为音频信号源使用。克服了现有声速测量仪要外配信号源、示波器的麻烦，也克服了前者不能做声速与温度和气压关系的实验内容，它为低成本一体化设计，使用方便可靠，声光同步显示。它可用于高校的声速测量实验或演示物理实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种物理实验仪器，尤其指一种物理实验用的声音特性综合实验仪。
背景技术
声速的测量和驻波现象的演示是物理实验中很重要的两个实验项目，其实验方法多种多样。驻波现象的演示常用的实验方法是用力学机械的方法进行的，其实验仪器体积大、操作麻烦；声速的测量用超声声速测量仪法国内各高校最为流行，但实验时还得配备示波器、信号源或电脑虚拟仪器等各种仪器，实验成本高，占用面积大，并且从原理和实验现象上来讲不直观，趣味性低，并且都是测量常压常温条件下的声速，不能做其他实验内容，实验方法单一。同一个实验仪器可提供的实验项目或实验内容越多，其仪器的使用价值越高，越符合当今实验教学改革的要求，同一个实验项目的实验仪器可提供的实验方法越多，越有利于启迪和培养学生的创新能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体化结构、使用方便、一机多用、直观形象、高性价比的声音特性综合实验仪，它不仅能测量常态下的声音特性，还可以测量非常态下的声音特性，并且不用其他仪器就可完成基本实验内容。
为了实现本发明的目的，本发明包含通过支架固定在底座上的透明圆管，透明圆管两端有密封件，在一个密封件内侧固定有扬声器，透明圆管内有一套可移动的话筒组合装置，透明圆管内带有电加热器，电加热器与供电电源并联，温度计的温度传感头安装在透明圆管内，扬声器与主机内的音频信号发生器的输出端相连，双路稳压电源的+12V输出端与音频信号发生器以及话筒信号放大器的电源输入端相连，双路稳压电源的+5V输出端与数字频率表以及音频电压表的电源输入端相连，话筒信号放大器的输入端与话筒转换开关的中心接点相连，驻波实验话筒与话筒转换开关的一个接点相连，环境声场话筒与话筒转换开关的另一个接点相连，数字频率表的输入端以及音频电压表的输入端与话筒信号放大器的输出端相连。
数字频率表的输入端与频率显示转换开关的中心接点相连，音频电压表的输入端与音频电压显示转换开关的中心接点相连，频率显示转换开关和音频电压显示转换开关联动。电加热器与供电电源之间还串联有自动温度开关，自动温度开关安装在透明圆管内。话筒信号放大器的输出端通过开关与喇叭相连。主机内的各部分安装在底座内，各控制旋钮以及控制开关和输出插座安装在底座的侧面，各仪表安装在仪表箱上。
由于本发明自带有音频信号发生器、数字频率表，不必另配信号源就可做实验；自带的话筒信号放大器和音频电压表，可测出并数字显示声强的高低，省去了外接示波器的麻烦，上述两点使得仪器或实验成本大幅度降低。一体化的整体结构，带来了使用方便、可靠性高的优点。音频电压显示转换开关和频率显示转换开关的连接方式，使之既可作为声音特性实验用、又可作为信号源用于其它实验项目，一机多用。话筒转换开关的接入，使之既可做传统的驻波和声音波长或声速的实验内容，又可测量环境声音的频率和相对强度，如配合示波器，还可测量不同声音的波形，做“看得见的声音”的演示物理实验项目，实验的趣味性显著增强。开关和喇叭串联后与话筒信号放大器输出端相连，可播放透明圆管内的驻波声音，配合音频电压表，声光同步显示，大大加深了实验者的印象。透明圆管内的电加热器和配套供电电源的接入，可以做非常温下的声音特性研究，扩展了实验方法。本发明一体化、低成本且以够用好用为设计原则，使之具有很高的性价比，很符合当今的“低碳”原则。
附图说明
图1是本发明的第1个实施例的结构原理图。
图2是本发明的第2个实施例的结构原理图。
图3是本发明的第3个实施例的结构原理图。
图4是本发明的第4个实施例的结构原理图。
具体实施方式
图1中，底座2的支撑脚1有四个，起稳定底座2的作用，其中有一个是可调节高度的，底座2为一个长方形的盒子，主机22的各部分电路置于其中，底座2作为机箱使用，主机22内的各个控制旋钮(控制电位器)以及控制开关和输出插座安装在底座2的侧面作为仪器操作面板。仪表箱21与底座2固定在一起，音频电压表25、数字频率表27、数字温度表23就安装在仪表箱21上，便于观察读数。支架3固定在底座2上，用硬质塑料或玻璃做的透明圆管18固定在支架3(左右各一个)上，透明圆管18的固定方式可用粘接的方式，也可增加金属环带圈住透明圆管18，再把金属环带固定在支架3上的方式等固定结构。左密封件15和右密封件6总称密封件，都应该和透明圆管18的两端牢固不透气的粘接。右密封件6还起到声反射体的作用。驻波实验话筒12固定在滑块10的下端，并通过螺旋弹簧导线8和话筒转换开关KH与话筒信号放大器26的输入端相连。轨道钢丝7穿过滑块10并且固定在左右密封件上(也可固定在透明圆管18的两端)，其中一端应带有可调节轨道钢丝7松紧度的调节螺丝。滑块10的上表面应做成曲率半径略小于透明圆管18的圆弧面并靠近透明圆管18的内壁，为减小透明圆管18内壁与滑块10上表面之间的摩擦力，可在其上表面增加非磁性滚轮或非磁性不锈钢钢珠。滑块10可用磁钢制作(或铁材料)，可由实验者手拿着的吸块11则用铁材料(或磁钢)制作，滑块10和吸块11也可都用磁钢制作，磁力更强。吸块11下表面是与透明圆管18曲面吻合的圆弧面，这样就可使滑块10与吸块11产生强磁力，移动吸块11就可带动滑块10左右移动。把铁材料及磁钢等相互磁力吸引的材料统称磁性材料。螺旋弹簧导线8可用两根多股漆包线(即收音机磁棒线圈用的那种线材)拧成一股再绕成细弹簧状制成，这样就可以允许反复自由伸缩(伸缩上万次也不至于断线)且很柔软，并允许滑块10在透明圆管18内全程移动。为了防止移动时的机械噪音进入话筒信号放大器26，可在其输入端设置高通滤波器。话筒信号放大器26自身带功率放大器，其输出端接输出插座30和开关KY与喇叭Y串联构成的放声电路，输出插座30为双芯的(可用普通音视频插座)，可用音视频莲花插头连接示波器以观察各种不同声音的波形。开关KY断开时喇叭Y不响，以保证实验者可自由选择输出方式。
双路稳压电源28的+12V端子接音频信号发生器24以及话筒信号放大器26的电源输入端。双路稳压电源28的+5V端子接音频电压表25和数字频率表27的电源输入端，双路稳压电源28的两组稳压电路应取自同一个变压器的两个独立的次级绕组，以保证音频电压表25和数字频率表27的正常工作。电加热可调稳压电源29的输出端接电加热器19，电加热器19与自动温度开关BT串联后再接地。
数字温度表23的温度传感头16插入透明圆管18内的任何一个区域均可，其工作电源可用电池。音频信号发生器24的输出端接扬声器14(可再并联一个高音喇叭13，以提高高频响应，因在1.5万赫兹以上，人已经基本听不到，也可认为是准超声波)、音频电压显示转换开关KV的右接点以及频率显示转换开关KF的右接点还接信号源输出接线端子17。话筒信号放大器26的输入端接话筒转换开关KH的中心接点，话筒转换开关KH的上接点接驻波实验话筒12，下接点接环境声场话筒20。音频电压显示转换开关KV的中心接点接音频电压表25的输入端，其左接点接音频信号发生器24的输出端，右接点接话筒信号放大器26的输出端。频率显示转换开关KF的中心接点接数字频率表27的输入端，其左接点接音频信号发生器24的输出端，右接点接话筒信号放大器26的输出端。
本实施例的各组成部分说明如下：
音频信号发生器24的前端部分可选用经典的文氏桥正弦振荡器制作，这可参考专利申请号：200910231005.4，公开号：CN101710461A的专利申请文件中的文氏桥正弦振荡器电路，其中文氏桥的两个选频电阻要改用阻值50K的双联电位器代替，文氏桥的两个选频电容要改用3300P的涤纶电容，大环路负反馈电阻也要改为阻值5K的，并且在大环路负反馈电阻上再串联一个开关，当该开关断开时为方波输出，以扩展信号源的输出类型，有利于作为信号源使用时的波形功能扩展。其他内容该专利申请文件里面有详细说明。这种文氏桥振荡器成本低、波型好、性能稳定，考虑到人对声音频率的敏感程度，其振荡频率设计在1-6千赫兹为宜，并且频率应该可调，后面部分为中功率集成功放电路，可用常见的各类集成功放电路结构。音频信号发生器24中应该带音量调节电位器。驻波实验话筒12和环境声场话筒20都选用驻极体小电容话筒，话筒20安装在底座2的侧面开孔位置。话筒信号放大器26的前端可选用两级共射极放大带负反馈的交流放大器，后端的功率放大器可选用中功率集成功放电路，它也应带有音量调节电位器和输出插座30。双路稳压电源28可用独立的双次级绕组变压器降压、整流、滤波，再经三端稳压集成块7812和7805和其他元器件组合而成的串联稳压电路构成。电热器加热可调稳压电源29可直接利用市面上的50W可调48V开关稳压电源，配套电加热器19的电阻值48Ω，电加热器19可直接用合适的电炉丝拉长使用，其外引线要并联粗导线以避免该段发热温度过高使穿孔变形(当透明圆管18为玻璃则永不会变形的)。自动温度开关BT可选用断开温度为50摄氏度的双金属片常通温度开关。
音频电压表25可用量程10-20V的小型数字交流电压表头或直流电压表头，当用直流电压表头时要在其前端增加半波整流器。数字频率表27可选用市面上的测量频率范围为音频的小型数字频率计表头。开关KV和KF可共用一个小型双刀双掷拨动开关代替，以保证这两个开关的机械同步动作。开关KH、KR、KY以及电源总开关K可用单刀双掷拨动开关。保险丝BX规格0.75A。
透明圆管18可以用玻璃或耐热硬质透明塑料制作。为了方便读取数据，还应在透明圆管18上刻上尺寸刻度，或固定上米尺。高音喇叭13很小，可直接粘在扬声器14的纸盆中央，也可在扬声器14前面固定一个金属网面板，把高音喇叭13固定其上。
气压表接口5和气嘴4安装在左密封件15或右密封件6上，气嘴4用自行车或摩托车用的那种结构的，这样用普通打气筒就可给透明圆管内打气升压且取下打气筒自封闭，气压表接口要用如图所示带倒刺的管接口，以适合胶皮软管插接不自掉。
本发明的工作过程是这样的：当开关K和KY接通，开关KV和KF拨向右侧。调节音频信号发生器24的输出频率和电压，并调节话筒信号放大器26的输出调节电位器，使喇叭Y声音大小适中。此时，扬声器14或13发出声音信号并在透明圆管18内自左至右传播即入射波，到达右密封件6后又被反射回去形成反射波，入射波和反射波在透明圆管18内的该区间形成驻波。按物理学原理，该驻波的相邻波腹之间(或相邻波节之间)的距离d就等于声波波长λ的一半，而波腹的位置处的声音最强(波节对应声音最小)，可以通过移动手持的吸块11磁性吸引滑块10的位置达到改变驻波实验话筒12的位置来寻找，移动驻波实验话筒12的位置可使其正好处在声音驻波的波腹的位置，它接收后送入话筒信号放大器26进行音频放大，并带动喇叭Y发声，就可听到波腹处最大的声音，同时音频电压表25也同步显示音频电压，从而很容易判断相邻波腹的具体位置和距离d。测出声音波长λ后，声速V＝λ×f＝2d×f，其中f为声音的频率，可直接从数字频率表27上读出。由于定量测量声速时，要的是两个波腹之间的距离d(是个位置差)，所以显示波腹位置的指针9可以不在驻波实验话筒12的位置，所以其形状和位置是任意的。如果用于理论课堂上演示驻波现象，手拿吸块11吸着滑块10左右移动，可找出若干个使喇叭Y声音最大(或最小)的位置，且同时还有音频电压表精确显示声音的大小，演示效果直观、形象、生动，并且不用携带任何其他仪器，方便实用。
如果要测不同气压下的声速或波长，可通过软管接上气压表，用普通打气筒给透明圆管18内打气，省去了用空气压缩机的麻烦。如果气嘴4是摩托车轮胎气嘴结构的，还可以抽气，可测低气压下的声速。
如果要测量不同温度下的声速或波长，可接通开关KR，调节电加热可调稳压电源29的电压调节电位器改变加热功率，可测量某个温度下的声速或波长。从而验证空气中的声速与温度的定量公式Co＝331.5+0.6t(m/s)的正确性(t为温度)。
本发明的第2个实施例是：请见图2，将轨道钢丝7换成螺杆，滑块10的孔就是配套螺母，螺杆左右端都带有可防止螺杆左右滑动的机械挡片，并有防止漏气的轴承和橡胶件；螺杆左端带有手轮31，可摇动手轮31让螺杆旋转使滑块10左右移动。为了能较快速的移动滑块10，螺杆上的螺纹最好制成间隔很粗的(类似于齿轮传动中的蜗杆)。
本发明将驻波实验话筒12以及滑块10等上述相关部件总称为可移动的话筒组合装置。
本发明的第3个实施例是：请见图3，去掉音频电压显示转换开关KV和频率显示转换开关KF，直接将音频电压表25和数字频率表27的输入端接话筒信号放大器26的输出端。此时本仪器就不能作为信号源用于其他实验项目。
本发明的第4个实施例是：请见图4，电加热器19的供电电源也可直接取自220V交流市电，此时其电阻值要增加到几千欧，以保证加热功率在100瓦以内，此时，可在供电电路串联一个开关KD和二极管D并联构成的功率调节器，开关KD断开功率较小，开关KD接通时为全功率。这可大幅度降低仪器的成本。
各图中主机内的各个大圆圈表示相关电位器引出的调节旋钮。
本发明还可以有其他一些变化，比如：音频信号发生器24可用其他类型的、驻波实验话筒12的移动机构还可以是其他结构甚至是透明圆管内安装步进电机配合透明管外的单片机驱动机构、温度计也可用酒精温度计、各个仪表也可用指针式的等等，但这些变化都没有偏离本发明的实质。
Claims (5)
1.一种声音特性综合实验仪，包含通过支架固定在底座上的透明圆管，透明圆管两端有密封件，在一个密封件内侧固定有扬声器，透明圆管内有一套可移动的话筒组合装置，其特征是透明圆管内带有电加热器，电加热器与供电电源并联，温度计的温度传感头安装在透明圆管内，扬声器与主机内的音频信号发生器的输出端相连，双路稳压电源的+12V输出端与音频信号发生器以及话筒信号放大器的电源输入端相连，双路稳压电源的+5V输出端与数字频率表以及音频电压表的电源输入端相连，话筒信号放大器的输入端与话筒转换开关的中心接点相连，驻波实验话筒与话筒转换开关的一个接点相连，环境声场话筒与话筒转换开关的另一个接点相连，数字频率表的输入端以及音频电压表的输入端与话筒信号放大器的输出端相连。
2.按权利要求1所述的声音特性综合实验仪，其特征是数字频率表的输入端与频率显示转换开关中心接点相连，音频电压表的输入端与音频电压显示转换开关的中心接点相连，频率显示转换开关和音频电压显示转换开关联动。
3.按权利要求1所述的声音特性综合实验仪，其特征是电加热器与供电电源之间还串联有自动温度开关，自动温度开关安装在透明圆管内。
4.按权利要求1所述的声音特性综合实验仪，其特征是话筒信号放大器的输出端通过开关与喇叭相连。
5.按权利要求1所述的声音特性综合实验仪，其特征是主机内的各部分安装在底座内，各控制旋钮以及控制开关和输出插座安装在底座的侧面，各仪表安装在仪表箱上。
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