CN102005148A - 自动驻波实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动驻波实验仪。它在透明圆管内的一端安装扬声器，扬声器与外配的音频信号发生器相连，另一端可反射声波，从而形成驻波。透明圆管内有一套驱动电机带动的话筒驱动装置，驻波实验话筒与话筒信号放大器相连，话筒信号放大器与输出插座相连，通过控制正反转开关或单片机键盘来驱动电机来改变话筒的位置，可快速、精确地找到驻波的波节或波腹位置，从而测量不同气压下声音驻波的参数或声速。它克服了现有声速测量仪没有自动调节和智能调节及智能读数功能，也不能做声速与气压关系的实验内容的缺陷。它可用于高校的声速测量实验或演示物理实验。

Description

自动驻波实验仪 

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自动驻波实验仪。 

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，但实验时是手动调节，没有自动控制、更没有单片机智能控制，并且都是测量常气压条件下的声速，不能做高压或低压非常态条件下的实验内容，实验方法单一。同一个实验仪器可提供的实验内容和实验方式越多，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自动驻波实验仪，它不仅能测量常态气压下的声音驻波现象的参数和声速，还可以可靠地测量非常态气压下的驻波现象参数和声速，并且具有可控自动移动话筒的功能。 

为了实现上述目的，本发明有一个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，在密封件上带有气嘴和气压表接口，在一个密封件内侧固定有扬声器，扬声器与接线柱相连，其特征是驻波实验话筒固定在滑块上，滑块通过其上的丝扣与螺杆可转动式咬合，驻波实验话筒通过话筒线与话筒信号放大器的输入端相连，话筒信号放大器的输出端与输出插座相连，驱动电机的转轴与螺杆的右端通过联轴器相连接，驱动电机的绕组与电机驱动器相连。 

驱动电机可用一个小直流减速电机，其绕组通过正反转开关与调速电源相连。驱动电机还可以是一个步进电机，其绕组与步进电机驱动器的输出接口相连，步进电机驱动器的输入接口与单片机的一组IO口相连，单片机的另一组IO口与一组按键开关相连。为了保证单一平面反射声波，形成单一的驻波便于准确实验测量，透明圆管内有声反射圆片，声反射圆片与透明圆管内壁相互固定。为了保证反复万次伸缩不断线，话筒线由螺旋弹簧导线组成。为了获得较强的输出功率带动示波器、毫伏表甚至直接带动喇叭发音，话筒信号放大器内部带有功率放大器。 

由于本发明的透明圆管两端有密封件，在密封件上带有气嘴和气压表接口，在一个密封件内侧固定有扬声器，扬声器与接线柱相连，驻波实验话筒固定在滑 块上，滑块通过其上的丝扣与螺杆可转动式咬合，驱动电机的转轴与螺杆的右端通过联轴器相连接，驱动电机的绕组与电机驱动器相连。这就使得本发明既可以方便快速地左右移动驻波实验话筒进行粗调，又可以通过调低调速电源的电压，或通过单片机控制的步进电机，以极慢的转速进行驻波实验话筒位置的精确细调，还可以通过单片机实现智能显示及智能控制，改善了实验条件和精度。这还带来一个优点，就是这种结构使得可动部件全在透明圆管的内部，防漏气功能很好，为高气压或低气压条件下的驻波实验提供了可靠的保证。 

附图说明

图1是本发明第一个实施例的结构原理图。 

图2为本发明第二个实施例的结构原理图。 

图3为本发明第三个实施例的结构原理图。 

具体实施方式

本发明第一个实施例参见图1。在图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，调速电源24、话筒信号放大器20、电源变压器B和话筒信号放大器20的稳压供电电路等置于其中，因而底座2可作为机箱使用。调速电源的24的电压调节电位器25、电源开关K、保险丝BX、话筒信号放大器20的音量调节电位器26和输出接口19等可安装在底座2的侧面作为仪器操作面板。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(即话筒线)与话筒信号放大器20的输入端相连。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，滑块10的孔就是与带有丝扣的螺杆7的配套螺母，这样就可保证螺杆7转动时滑块10左右移动而不至于也跟着螺杆7转动。透明圆管18右端固定一个驱动电机21，它可以用每分钟50-200转的直流减速小型电机(制造机器人用的那类超小直流减速电机就行)，以便于配合通过正反转开关KD与其相连的调速电源24进行大幅度调速。驱动电机21的转轴与螺杆7的右端通过联轴器22连接，联轴器22为一个金属圆套筒，分别将驱动电机21的转轴及螺杆7的右端插入其中，再从联轴器22的两端径向拧上小螺丝即可使驱动电机21 的转轴与螺杆7一起转动，且允许驱动电机21的转轴与螺杆7之间的径向有活动余地。螺杆7的左端插入轴承16中，轴承16则固定在左密封件15的内壁上，螺杆7的左端可不必露出左密封件15，且整个透明圆管18及两端也无转动部件探出来，所以，透明圆管18内外防漏气很容易得到保证，便于进行高气压或低气压下的驻波实验。调速电源24可用宽范围可调稳压电源(比如：用变压器B的17V绕组配合桥式整流器和可调三端稳压集成电路LM317和典型外围件组装的电路结构)。当正反转开关KD拨向右侧为驱动电机21正转、拨向左侧为反转、拨向中间位置为停转。调节调速电源24的电压调节电位器25，可大范围地改变转速，以方便快调(高转速对应高电压)和细调(低转速对应低电压)驱动电机21的转速。为了便于监视调速电源24的电压，可以在调速电源24的输出端并联一个机械或数字电压表(也可以不加该表)安装到仪表箱27内，仪表箱27与底座2相互固定在一起。本实施例的正反转开关KD用双刀双掷带中间断开位置的小拨动开关并接成换向开关的方式。为了保证单一平面反射声波，形成单一的驻波便于准确实验测量，驱动电机21表面应带一层吸声材料，以防止其对声波的反射影响实验结果，或者干脆在驱动电机21的左端再安装一个声反射圆片23，声反射圆片23的外径与透明圆管18的内径相同，并把两者机械固定(可用粘接的方式)在一起，驱动电机21的转轴穿过其面。 

螺旋弹簧导线8可用两条多股漆包线(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(伸缩几万次也不至于断线)且很柔软，并允许滑块10在透明圆管18内全程移动。螺旋弹簧导线8既可以按1图所示方式装配，也可将其套在(螺杆7穿过螺旋弹簧导线8形成的线圈的中心)螺杆7上。为了减小移动时的机械噪音进入话筒信号放大器20，可在其输入端设置高通滤波器。话筒信号放大器20自身带功率放大器，其输出端接输出插座19，输出插座19为双芯的(可用普通音视频插座)，可用音视频莲花插头引出两条线去连接示波器探头或交流毫伏表探头。话筒信号放大器20的电路结构可采用两级阻容耦合负反馈放大电路后面再加小功率集成功放电路构成，它应带有音量调节电位器26，其工作稳压电源的交流供电部分取自电源变压器B的另一个绕组(15V)，然后再经过桥式整流、滤波、稳压而得到+12V的话筒信号放大器工作电源。这样，就可以获得较强的输出功率带动示波器、毫伏表甚至直接带动喇叭发音，话筒信号放大器内部带有功率放大器，当没有示波器或毫伏表时，可直接用喇叭放音来感知声音的强弱。 

透明圆管18可以用直径40-50毫米、厚度3-5毫米的玻璃或耐热硬质透明塑料(比如有机玻璃)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，以提高高频响应。驻波实验话筒12选用驻极体小电容话筒。声反射圆片23要用与透明圆管18相同的材料，以便于粘接。 

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5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。 

本实施例的工作过程是这样的：扬声器14通过导线与接线柱17连接，同时接线柱17还与外配的信号发生器的输出端相连，输出插座19接外配的示波器或交流毫伏表。把外配的信号发生器的频率和电压调到大小合适(并结合调节音量调节电位器26，以话筒信号放大器不失真为准)的幅度。当电源开关K接通时，扬声器14和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，到达声反射圆片23(或右密封件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)位置，可通过把正反转开关KD拨向右侧或左侧，电动控制驻波实验话筒12左右移动来寻找驻波的波腹(或波节)，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20进行音频放大，并带动示波器或毫伏表显示声波的相对强度，从而很容易判断相邻波腹(或波节)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，可直接从外配的信号发生器上读出。由于定量测量声速时，要的是两个波腹(或波节)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，省去了用气泵的麻烦。如果气嘴4是摩托车轮胎气嘴结构的，还可以抽气，可测低气压下的驻波参数或声速。 

本发明的第二个实施例参见图2。如果用电脑28配合流行的虚拟仪器软件作为信号发生器和示波器，则话筒信号放大器20可不接，直接将驻波实验话筒12通过话筒信号输出插孔29接到电脑28的麦克风输入插口MIC、电脑的线路输出LINE OUT插孔通过接线柱17接扬声器14即可，因电脑里面已经有话筒信号放大 器了以及虚拟信号发生器了。普通电脑安装现有技术中已有的虚拟仪器软件V0.94或其他相应流行软件即可，电脑28在工作时，可同时输出音频电信号并同时具有示波器的功能，也就是说用电脑28的声卡代替了信号发生器和示波器的功能，其线路输出插孔LINE OUT相当于信号发生器输出端，话筒输入插孔MIC相当于示波器输入端。此情况下要在驻波实验话筒12与话筒信号放大器20之间的话筒线中间并联一个话筒信号输出插孔29。 

本发明的第三个实施例参见图3。与前面两个实施例的区别在于：调速电源24改成输出电压不可调的(比如输出+12V直流稳压电)，驱动电机21由小直流减速电机换成了步进电机(比如用常用的5线4相步进电机)，驱动电机21与步进电机驱动器30(比如用市面流行的基于L297或L298控制的步进电机驱动器)的输出接口相连。单片机控制电路31的四个IO口(比如P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口)接步进电机驱动器30的输入端；单片机控制电路31的另外四个IO口(比如P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端口)分别接正转按键开关KZ、反转按键开关KF、加速按键开关K+、减速按键开关K-。当按下某个按键开关，就执行该程序。设置单片机的P1.3接口的输出脉冲频率在1-1KHZ之间，则对应步进电机低速及高速转动。单片机控制电路31可用AT89S52等单片机芯片和典型外围电路构成。 

步进电机驱动器30和单片机控制电路31的直流稳压供电电源输入端都接在调速电源24上，单片机控制电路31的直流稳压供电电源输入端也可接到话筒信号放大器20的稳压电源上。这就构成了另一种形式的话筒驱动机构，比前者具有控制精确、调速比更大、可用单片机上的数码管显示转速、可增加其他各种智能控制程序(甚至直接用数码管显示话筒移动的精确位置和自动寻找波腹或波节等)等优点，缺点是成本明显提高。 

在第三个实施例中，原来安装到仪表箱27内的电压表可去掉，改成把单片机控制电路31的数码管显示屏以及液晶显示屏装入仪表箱27内。 

本发明把第一、二个实施例上的调速电源24与正反转开关KD的电路组合或者第三个实施例上的步进电机驱动器30、单片机控制电路31、正转按键开关KZ、反转按键开关KF、加速按键开关K+、减速按键开关K-构成的电路组合总称电机驱动器。 

Claims (6)

1.一种自动驻波实验仪，有一个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，在密封件上带有气嘴和气压表接口，在一个密封件内侧固定有扬声器，扬声器与接线柱相连，其特征是驻波实验话筒固定在滑块上，滑块通过其上的丝扣与螺杆可转动式咬合，驻波实验话筒通过话筒线与话筒信号放大器的输入端相连，话筒信号放大器的输出端与输出插座相连，驱动电机的转轴与螺杆的右端通过联轴器相连接，驱动电机的绕组与电机驱动器相连。

2.按权利要求1所述的自动驻波实验仪，其特征是驱动电机是一个小直流减速电机，其绕组通过正反转开关与调速电源相连。

3.按权利要求1所述的自动驻波实验仪，其特征是驱动电机是一个步进电机，其绕组与步进电机驱动器的输出接口相连，步进电机驱动器的输入接口与单片机的一组IO口相连，单片机的另一组IO口与一组按键开关相连。

4.按权利要求1所述的自动驻波实验仪，其特征是透明圆管内有声反射圆片，声反射圆片与透明圆管内壁相互固定。

5.按权利要求1所述的自动驻波实验仪，其特征是话筒线由螺旋弹簧导线组成。

6.按权利要求1所述的自动驻波实验仪，其特征是话筒信号放大器内部带有功率放大器。

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