CN103559821A - 纵波的驻波生成及演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纵波的驻波生成及演示装置，包括主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管、以及多个压力传感器；主控制器，用于控制放大电路产生声波；扬声器，用于将声波输入到玻璃管中；玻璃管中具有液体；当声波在玻璃管中传播时，会在玻璃管的另一端反射回来，与发出的声波相互叠加形成驻波。本发明的装置，可以产生和模拟各种环境下多种纵波产生的驻波。

Description

纵波的驻波生成及演示装置

技术领域

本发明涉及一种教学仪器领域，尤其涉及一种纵波的驻波生成及演示装置。

背景技术

驻波是波的叠加中最简单、最基本的现象。当两个或多个波在同一地点相遇时，质点的位移是各个波动的位移之和，这就是波的叠加。当两列波的相位差为π时，叠加的形式为驻波，其最大振幅处称为波腹，最小振幅处称为波节。如果两列波的振幅相等，则波节振幅为零。

驻波的现象及形成是物理基础教学中要求学生必须掌握的知识，理解驻波的形成过程是后面学习波的叠加以及波的干涉的基础，所以理解和掌握驻波的知识是学习中重要的一个环节。虽然驻波是波的叠加中最简单、最基本的现象，也是生活中相当普遍的现象，但是人的感官往往很难完整、形象地感觉到这种现象，因而人们对驻波的感性认识并不深刻，所以对于学生来说，在教学中使用驻波演示装置是非常必要的。现有技术中，驻波的演示装置有许多，教学中的使用也相当普遍，如许多教学仪器厂生产的用喇叭作振源的可调频驻波演示装置；还有用偏心电机作振源的可调频演示器等。

横波和纵波均可通过反射形成驻波，横波产生的驻波很容易观察到，但是纵波产生的驻波很难通过仪器装置直观形象的观察。举个例子来说，一座桥梁，它所受到的不仅有风（横波）和其上面的车辆的影响，还有很多声音（纵波）或其他纵波的影响，我们要尽量使驻波中振幅最大的波腹点不要出现在桥梁上，或者出现在桥上相对比较牢固的地方，而使保持静止的波节出现在相对不太牢固的地方，从而充分延长桥梁的使用寿命。如果只用横波驻波的实验装置是不能模拟出声音（或其他纵波）对它的影响的。因此，研究纵波同样具有很大的实际意义。

声波是一种常见的纵波，因此可利用声波的反射、叠加来产生纵波的驻波。目前大学物理演示实验中，主要是利用昆特管来演示声驻波现象。昆特管主要由底座、扬声器、玻璃管、煤油构成。在实验中，低频信号发生器驱动扬声器向管内发射不同频率的声波，玻璃管的另一端成为波的反射面。当入射声波和反射声波满足一定关系时，相互叠加形成驻波。在驻波中，波节点附近的空气分子始终保持静止不动，波腹点附近的空气分子振幅最大，其他各点以不同的振幅振动。因此，波腹处空气的压强最小，煤油被吸起，形成喷泉；而波节点处煤油保持静止。

现有技术中的声驻波演示装置中，功能比较单一，只能通过煤油观察不同频率的声波产生驻波的现象，而且只能通过尺子粗略的测量出声速，会存在较大的误差。然而，在现实环境中，气体的湿度、温度和密度会经常发生变化，此时，现有的声驻波演示装置并不能对现实中产生什么实际意义，这也就很难在相关领域有所应用。

发明内容

本发明是鉴于上述技术问题而产生的。本发明的目的是提出一种纵波的驻波生成及演示装置，其能产生和模拟各种环境下多种纵波产生的驻波。此外，本发明的装置，还可以准确地计算出气体在不同条件下的传播速度。

本发明的实施例提供一种纵波的驻波生成及演示装置，包括主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管、以及多个压力传感器；主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管依次相连接；多个压力传感器位于玻璃管上部的不同位置，并且所述多个压力传感器与主控制器相连接；主控制器，用于控制放大电路产生声波；主控制器，还用于从所述多个压力传感器获取多个压力值，由此得到玻璃管中不同位置的气体压力数值；放大电路，用于产生声波，并输入到扬声器中；扬声器，用于将声波输入到玻璃管中；玻璃管中具有液体；当声波在玻璃管中传播时，会在玻璃管的另一端反射回来，与发出的声波相互叠加形成驻波；此时，不同位置的气体压强不一样，其中，波腹点处气体的压强最小，液体被吸起，而波节点处的液体则保持静止。

进一步地，在玻璃管上还安装有压力控制器；所述主控制器，还用于控制压力控制器和压力传感器来调节玻璃管中气体的密度。

进一步地，在玻璃管上还安装有温度传感器和温度控制器；所述主控制器，还用于控制温度传感器和温度控制器来调节玻璃管中气体的温度。

进一步地，在玻璃管上还安装有湿度传感器和湿度控制器；所述主控制器，还用于控制湿度传感器和湿度控制器来调节玻璃管中气体的湿度。

进一步地，所述装置还包括显示器；并且主控制器，还用于根据声波的波长λ以及频率ν计算出声音在当前气体中的传播速度u＝λν，并且将气体的湿度、温度、密度、以及计算出的声速通过显示器显示出来。

进一步地，主控制器，还用于按比例在显示器中显示出玻璃管中模拟的气体压强图。

进一步地，在本发明中，所述气体为空气，所述液体为煤油。

进一步地，所述放大电路为可调放大电路；所述主控制器，还用于控制可调放大电路产生的声波的频率。

进一步地，所述装置还包括支架，并且所述玻璃管放置于支架上。

与现有技术相比，采用本发明的纵波的驻波生成及演示装置具有以下有益效果：

（1）本发明的纵波的驻波生成及演示装置能够通过装置里的主控制器以及各种参数传感器、控制器来精确设定玻璃管内气体的湿度、温度和密度等参数，由此来产生和模拟各种环境下多种纵波产生的驻波，再通过研究使波节和波腹分布在想要它们出现的位置，从而指导实际领域。因此本装置可应用在铁路、公路、桥梁等工程和建筑工程领域或其他领域，具有很大的实际应用性和现实指导意义。

（2）本发明的纵波的驻波生成及演示装置还能够利用各种传感器来自动测量在声波演示的玻璃管上的各个参数，从而可以准确地获得气体在不同条件下的传播速度变化情况。

附图说明

结合随后的附图，从下面的详细说明中可显而易见的得出本发明的上述及其他目的、特征及优点。在附图中：

图1示出了根据本发明的纵波的驻波生成及演示装置的结构图；

图2示出了根据本发明的纵波的驻波生成及演示装置的电路框图。

具体实施方式

为了更全面地理解本发明及其优点，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细地说明。

首先，介绍一下影响声音传播速度（声速）的因素。声速，顾名思义即是声音的速度，定义为单位时间内振动波传递的距离。声速与传递介质的材质状况（密度、温度、压力等）有关，而与发声者（波源）本身的速度无关，而发声者（波源）与听者（观察者）间若有相对运动关系，就形成了多普勒效应。由此观点，我们可以知道，超声速时的诸多物理现象，例如震波、音爆、音障等，其实与声音无关，而是压缩波密集累积所产生的物理现象。通常声速是指在空气中的声速，为343.2米/秒。声速又会依空气的状态（如湿度、温度、密度）不同而有不同数值。如摄氏零度之海平面声速约为331.5米/秒（1193公里/小时）；一万米高空之声速约为295米/秒（1062公里/小时）；另外每升高1摄氏度，声速就增加0.607米/秒。

本发明的实施例提供一种纵波的驻波生成及演示装置，包括主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管、以及多个压力传感器；主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管依次相连接；多个压力传感器位于玻璃管上部的不同位置，并且所述多个压力传感器与主控制器相连接；主控制器，用于控制放大电路产生声波；主控制器，还用于从所述多个压力传感器获取多个压力值，由此得到玻璃管中不同位置的气体压力数值；放大电路，用于产生声波，并输入到扬声器中；扬声器，用于将声波输入到玻璃管中；玻璃管中具有液体；当声波在玻璃管中传播时，会在玻璃管的另一端反射回来，与发出的声波相互叠加形成驻波；此时，不同位置的气体压强不一样，其中，波腹点处气体的压强最小，液体被吸起，而波节点处的液体则保持静止。

进一步地，在玻璃管上还安装有压力控制器；所述主控制器，还用于控制压力控制器和压力传感器来调节玻璃管中气体的密度。

进一步地，在玻璃管上还安装有温度传感器和温度控制器；所述主控制器，还用于控制温度传感器和温度控制器来调节玻璃管中气体的温度。

进一步地，在玻璃管上还安装有湿度传感器和湿度控制器；所述主控制器，还用于控制湿度传感器和湿度控制器来调节玻璃管中气体的湿度。

进一步地，所述装置还包括显示器；并且主控制器，还用于根据气体的湿度、温度、密度计算出声速，并且将气体的湿度、温度、密度、以及计算出的声速通过显示器显示出来。

进一步地，主控制器，还用于按比例在显示器中显示出玻璃管中模拟的气体压强图。

进一步地，在本发明中，所述气体为空气，所述液体为煤油。

进一步地，所述放大电路为可调放大电路；所述主控制器，还用于控制可调放大电路产生的声波的频率。

进一步地，所述装置还包括支架，并且所述玻璃管放置于支架上。

下面，参考图1-2，对根据本发明的纵波的驻波生成及演示装置的组成结构进行详细介绍。

本发明的纵波的驻波生成及演示装置包括：扬声器1，玻璃管2，支架4，放大电路5，主控制器6，显示器7，压力传感器8，温度传感器9，湿度传感器10，压力控制器11，温度控制器12，湿度控制器13，其中：

扬声器1的输入端与放大电路5相连接，输出端与玻璃管2的其中一端相连接。扬声器1经输出端输出声波到玻璃管2中。声波会在玻璃管2中传播，并在玻璃管2的另一端反射回来与发出的声波形成干涉，使不同位置的空气压强不一样，从而在玻璃管2的下部分会产生“喷泉”现象。

玻璃管2，放置于支架4上。玻璃管2的一端与扬声器1的输出端相连接，另一端则安装了温度传感器9、湿度传感器10、压力控制器11、温度控制器12、湿度控制器13。在本发明中，玻璃管2中装了一层煤油3。另外，玻璃管2的上面安装了多个压力传感器8，每个压力传感器8用于获取其所在位置的压力值，并将不同位置的压力数值发送到主控制器6上，由主控制器6经过分析处理得到玻璃管2中不同位置的空气压力数值。其中，安装的压力传感器8的数量可以根据实际需要进行设置。

放大电路5，其与主控制器6相连接，用于产生声波，并输入到扬声器1中。在本发明中，所述放大电路5为可调节的放大电路，并由主控制器6控制产生的声波的频率。

主控制器6分别与放大电路5、显示器7、压力传感器8、温度传感器9、湿度传感器10、压力控制器11、温度控制器12和湿度控制器13相连接。主控制器6，用于控制放大电路5产生声波，并且还可以根据需要控制产生的声波的频率。主控制器6，还用于控制通过压力控制器11和压力传感器8来精确的调节玻璃管2中空气的密度；通过温度传感器9和温度控制器12来精确的调节玻璃管2中空气的温度；再通过湿度传感器10和湿度控制器13来精确的调节玻璃管2中空气的湿度。

主控制器6，还用于根据声波的波长λ以及频率ν计算出声音在当前气体中的传播速度，并且将气体的湿度、温度、密度、以及计算出的声速通过显示器7显示出来。此外，主控制器6还可以用于按比例在显示器7中显示出玻璃管2中模拟的空气压强图，由此实验者就可以和现实中玻璃管2中煤油3的振动情况做对比。

在此需要说明的是，玻璃管2中的空气也可以换成其他气体，煤油3可以更换成其他液体，从而产生和模拟多种情况的驻波现象。

下面介绍本发明的纵波的驻波生成及演示装置产生纵驻波的方法：

当扬声器1从玻璃管2的一端发出声波时，声波会在玻璃管2中传播，并在玻璃管2的另一端反射回来与发出的声波形成干涉，使不同位置的空气压强不一样，从而在玻璃管2的下部分会产生“喷泉”现象。而在玻璃管2的上部，空气会对多个压力传感器8产生不同的压力，这样就可以通过压力传感器8把不同位置的压力数值发送到主控制器6上，从而经过分析处理精确的得到玻璃管2中不同位置的空气压力数值。

主控制器6通过放大电路5来调节扬声器1发出声波的频率。具体来说，在本发明中，通过旋转由放大电路5组成的功率放大装置的调节旋钮，使通过扬声器1的电流变大或变小，从而扬声器1产生的声波的频率也会随之变大或变小。同时，调节后的频率会实时反馈给主控制器6，控制器6再将频率值显示在显示器7上，由此实验者可以观看不同声波频率下的现象。本发明的实现调节声波频率的方式仅仅是举例，而不是对本发明的限制，本领域技术人员可以明了其还可以采用其它替代方式来实现。

主控制器6，还可以通过压力控制器11和压力传感器8来精确的调节玻璃管2中空气的密度；通过温度传感器9和温度控制器12来精确的调节玻璃管2中空气的温度；通过湿度传感器10和湿度控制器13来精确的调节玻璃管2中空气的湿度。具体而言，在扬声器1发出声波前，压力传感器8可以测出当前玻璃管2中的气体压力并把它上传给主控制器6，此时由于扬声器1并没有发出声波，所以玻璃管2中各点的气体压力相等。主控制器6发出指令信号给压力控制器11以对玻璃管2中的气体压力进行控制。压力控制器11可通过多种方式来对玻璃管2中的气体压力进行控制，在本发明中，采用往玻璃管2中注入或者排除定量相同气体的方法来实现（其实也就是改变玻璃管2中气体的密度），并且当玻璃管2中的气体压强达到设定值时，主控制器6就会从压力传感器8的反馈信息中得知，同时立即给压力控制器11发出停止指令，这样就实现了对压力的调节以及玻璃管中气体密度的调节。温度和湿度的调节方法也类似，具体而言，主控制器6发出指令信号给温度控制器12，使得温度控制器12对玻璃管2中的气体进行加热或降温来实现对温度的控制；主控制器6发出指令信号给湿度控制器13，使得湿度控制器13对玻璃管2中的气体进行加入水蒸气或者吸出水蒸气来实现对湿度的控制。

主控制器6，还用于根据声波的波长λ以及频率ν计算出声音在当前气体中的传播速度，并且将气体的湿度、温度、密度、以及计算出的声速通过显示器7显示出来。具体而言，由于相邻波腹或波节间的距离为半个波长，因此根据两个相邻波峰或波谷之间的距离来获得波长λ，声波的频率ν可由信号发生器得知，这样，由u＝λν，即可求出声音在当前气体中的传播速度。当更改当前气体的温度、湿度和密度后，同样根据上面的公式计算出声速。从而可以准确地计算出气体在不同条件下的传播速度。这样算出的每个声速都会和它当时实时的气体温度、湿度和密度同时对应显示在显示器7上，并将这些数据存储在主控制器6中，或发送给上位机、PC中保存下来。

此外，主控制器6还可以用于按比例在显示器7中显示出玻璃管2中模拟的空气压强图。由此实验者就可以和现实中玻璃管2中煤油3的振动情况做对比。这里所说的空气压强图就是说当扬声器1启动后玻璃管2中的气体由于受到声波的影响会使得每点的压强都产生变化，不过这些变化都可以通过安装在玻璃管2的上部分的一排足够密集的压力传感器8来实时的监测出来，并把不同位置的压力数值发送到主控制器6上，从而经过分析处理精确的得到玻璃管2中不同位置的空气压力数值。然后再根据这些每个坐标位置的压力数值，按照实际玻璃管2的长度和其内部每一个压力传感器8的位置的比例，在显示器7中显示出波形图。此图的横坐标为长度（也就是模拟玻璃管2中的位置），纵坐标为压力，这样绘制出来的曲线图就形象的反映了玻璃管2中的压强分布，再把这个图和实际玻璃管2中的液体振动情况进行对比，就会发现显示器7上波形图的波峰（或波谷），在现实中玻璃管2的相同位置上大致上会是波谷（或波峰）。如果把纵坐标设为压力的负值的话，其波形就会和实际在玻璃管2中看到的液体波形大致一样了。

与现有技术相比，采用本发明的纵波的驻波生成及演示装置具有以下有益效果：

（1）本发明的纵波的驻波生成及演示装置能够通过装置里的主控制器以及各种参数传感器、控制器来精确设定玻璃管内气体的湿度、温度和密度等参数，由此来产生和模拟各种环境下多种纵波产生的驻波，再通过研究使波节和波腹分布在想要它们出现的位置，从而指导实际领域。因此本装置可应用在铁路、公路、桥梁等工程和建筑工程领域或其他领域，具有很大的实际应用性和现实指导意义。

（2）本发明的纵波的驻波生成及演示装置还能够利用各种传感器来自动测量在声波演示的玻璃管上的各个参数，从而可以准确地获得气体在不同条件下的传播速度变化情况。

本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式，或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。

本发明的方式

以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。

工业应用性

如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。

Claims (10)

1.一种纵波的驻波生成及演示装置，其特征在于该装置包括主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管、以及多个压力传感器；其中：

主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管依次相连接；多个压力传感器位于玻璃管上部的不同位置，并且所述多个压力传感器与主控制器相连接；

主控制器，用于控制放大电路产生声波；主控制器，还用于从所述多个压力传感器获取多个压力值，由此得到玻璃管中不同位置的气体压力数值；

放大电路，用于产生声波，并输入到扬声器中；

扬声器，用于将声波输入到玻璃管中；

玻璃管中具有液体；当声波在玻璃管中传播时，会在玻璃管的另一端反射回来，与发出的声波相互叠加形成驻波；此时，不同位置的气体压强不一样，其中，波腹点处气体的压强最小，液体被吸起，而波节点处的液体则保持静止。

2.根据权利要求1所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中：

在玻璃管上还安装有压力控制器，所述压力控制器与主控制器相连接；

所述主控制器，还用于控制压力控制器和压力传感器来调节玻璃管中气体的密度。

3.根据权利要求2所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中：

在玻璃管上还安装有温度传感器和温度控制器，所述温度传感器和温度控制器分别与主控制器相连接；

所述主控制器，还用于控制温度传感器和温度控制器来调节玻璃管中气体的温度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中：

在玻璃管上还安装有湿度传感器和湿度控制器，所述湿度传感器和湿度控制器分别与主控制器相连接；

所述主控制器，还用于控制湿度传感器和湿度控制器来调节玻璃管中气体的湿度。

5.根据权利要求4所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中所述装置还包括显示器，所述显示器与主控制器相连接；并且

主控制器，还用于根据声波的波长λ以及频率ν计算出声音在当前气体中的传播速度u＝λν，并且将气体的湿度、温度、密度、以及计算出的声速通过显示器显示出来。

6.根据权利要求5所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中：

主控制器，还用于按比例在显示器中显示出玻璃管中模拟的气体压强图。

7.根据权利要求1-3和5-6任一项所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中所述气体为空气。

8.根据权利要求1-3和5-6任一项所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中所述液体为煤油。

9.根据权利要求1-3和5-6任一项所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中：

所述放大电路为可调放大电路；

所述主控制器，还用于控制可调放大电路产生的声波的频率。

10.根据权利要求1-3和5-6任一项所述的纵波的驻波生成及演示装置，其中所述装置还包括支架，并且所述玻璃管放置于支架上。

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