CN105513465A - 基于声学测量和电学控制的动力学轨道及匀速调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了：基于声学测量和电学控制的动力学轨道，其特征在于包括斜板轨道、底座和小车，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂，连接臂下端连接有声波发生器，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器，声波接收器的接收端与声波发生器相对，斜板轨道靠近末端铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机，驱动电机连接有控制器；小车保持匀速运动，该运动获得速度快，省时省力，模拟匀速特性高质量，声波导向性好传输质量高。

Description

基于声学测量和电学控制的动力学轨道及匀速调节方法

技术领域

本发明涉及一种动力学装置，特别是涉及一种基于声学和电学的动力学轨道。

背景技术

动力学研究中，常常需要获得一个理想的匀速运动的小车，但是小车所行走的平面与车轮是有摩擦阻力的，于是研究者常常采用斜坡轨道，利用小车自身重力产生的分力克服摩擦力，以便模拟光滑轨道。使用的时候，将小车放置在斜板轨道的起始端，改变倾角，探寻匀速倾角。为了获得合适的倾角，研究者需要调整斜坡倾角，测量小车运动速度是否变化，如果变化，就继续调整倾角。现有技术存在以下不足：

1，理论上，这样调节是无法获得匀速运动的，原因在于：匀速的倾角只有一个，而调节倾角以后，需要重新测量小车的速度变化情况。调节倾角的次数是有限的，但是可以获得的倾角是无穷多的，从概率的角度看，无穷中选一个，选中的概率为0。

2，不能让小车一边运动一边调节。这样也耽误时间，也增加调节的次数。

3，直接增大倾角让小车由静止开始运动，小车一定是加速运动的，所以，需要给小车一个初速度才可以测量速度的变化情况。

总之，现有技术中，小车匀速运动质量不高，仍有待于技术改进完善。质量不高的意思是说，速度变化率不是0，并且偏离0还挺大的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于声学和电学的动力学轨道。

本发明采用的技术方案为：

1，基于声学测量和电学控制的动力学轨道，其特征在于包括斜板轨道、底座和小车，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂，连接臂下端连接有声波发生器，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器，声波接收器的接收端与声波发生器相对，斜板轨道靠近末端铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机，驱动电机连接有控制器，声波接收器与控制器连接，声波发生器与小车内置的电源连接，声波发生器用于产生频率固定的声波。

进一步的，所述斜板轨道上设有纵向凹槽轨道，小车车轮落入凹槽轨道内。

进一步的，所述底座上设有立柱，斜板轨道靠近末端铰接立柱上。

进一步的，所述斜板轨道铰接处距斜板轨道末端距离小于斜板轨道长度的二分之一。

进一步的，所述斜板轨道末端设有阻挡小车的挡块，挡块或小车的碰撞位置设有缓冲装置。

进一步的，所述调高机构设有竖直的丝杠，驱动电机通过联轴器与丝杠连接，与丝杠配合设有丝母，丝杠旁设有与其平行的导柱，导柱上设有导套，导套和丝母固定连接在一滑块上，滑块铰接有支臂，支臂与斜板轨道的起始端连接，丝杠、导柱、驱动电机连接在一支架上，支架固定在底座上。

进一步的，所述调高机构设有与斜板轨道铰接处同轴的弧形齿条，驱动电机连接有与弧形齿条配合的驱动齿轮，驱动电机通过支架与底座相连。

进一步的，所述纵向豁口的两侧边缘分别连接有内缘靠在一起的柔性密封条。

进一步的，所述声波发生器、声波接收器分别连接有声导管，两声导管轴线共线。

进一步的，所述斜板轨道下方设有条形的预调斜板，斜板轨道末端铰接在预调斜板的一侧端头，斜板轨道起始端与预调斜板的另一侧间端头间设有调角机构，预调斜板靠近其铰接处的一侧端头铰接在底座上，预调斜板另一端通过调高机构与底座相连。

进一步的，所述驱动电机连接有驱动电路，驱动电路连接升开关和降开关。

进一步的，所述斜板轨道末端设有小车可撞击到的行程开关，行程开关连接到控制器。

2，基于多普勒效应的轨道调整方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

第一步，声波发生器工作，发出频率为f的声波，且f＝20000Hz，

第二步，声波接收器接收到声波发生器发出的声波，控制器检测接收到的声波，

如果检测该声波频率为f，则：控制器控制驱动电机，驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角增大，

如果检测该声波频率不是f，则根据多普勒效应，判断声波发生器的速度变化，进而控制器控制驱动电机，驱动电机以不同的工作状态，控制调高机构，使斜板轨道倾角增大或者减小，直到：检测到的声波频率为非f，并且恒定，控制器控制驱动电机，让驱动电机保持不工作或者变为不工作，从而使斜板轨道倾角保持不变，

所述方法采用的装置是一种基于声学和电学的动力学轨道，所述基于声学和电学的动力学轨道包括斜板轨道、底座和小车，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂，连接臂下端连接有声波发生器，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器，声波接收器的接收端与声波发生器相对，斜板轨道靠近末端铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机，驱动电机连接有控制器，声波接收器与控制器连接，声波发生器与小车内置的电源连接，声波发生器用于产生频率固定的声波。

3，基于声波波源靠近而获得匀速运动的方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

第一步，声波发生器工作，发出频率为f的声波，且f＝20000Hz，

第二步，声波接收器接收到声波发生器发出的声波，控制器检测接收到的声波，

如果检测该声波频率为f，则：控制器控制驱动电机，驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角增大，

如果检测该声波频率大于f，且检测到的频率在变大，则：控制器控制驱动电机，驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角减小，

如果检测该声波频率大于f，且检测到的频率越来越小，则：控制器控制驱动电机，让驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角增大，

如果检测该声波频率大于f，且检测到的频率不变，则：控制器控制驱动电机，让驱动电机保持不工作或者变为不工作，从而使使斜板轨道倾角保持不变，

所述方法采用的装置是一种基于声学和电学的动力学轨道，所述基于声学和电学的动力学轨道包括斜板轨道、底座和小车，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂，连接臂下端连接有声波发生器，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器，声波接收器的接收端与声波发生器相对，斜板轨道靠近末端铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机，驱动电机连接有控制器，声波接收器与控制器连接，声波发生器与小车内置的电源连接，声波发生器用于产生频率固定的声波，

声波接收器设置在斜坡轨道末端，声波发生器指向该末端。

4，基于声波波源远离而获得匀速运动的方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

第一步，声波发生器工作，发出频率为f的声波，且f＝20000Hz，

第二步，声波接收器接收到声波发生器发出的声波，控制器检测接收到的声波，

如果检测该声波频率为f，则：控制器控制驱动电机，驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角增大，

如果检测该声波频率小于f，且检测到的频率在变大，则：控制器控制驱动电机，驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角增大，

如果检测该声波频率小于f，且检测到的频率越来越小，则：控制器控制驱动电机，让驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角减小，

如果检测该声波频率小于f，且检测到的频率不变，则：控制器控制驱动电机，让驱动电机保持不工作或者变为不工作，从而使使斜板轨道倾角保持不变，

所述方法采用的装置是一种基于声学和电学的动力学轨道，所述基于声学和电学的动力学轨道包括斜板轨道、底座和小车，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂，连接臂下端连接有声波发生器，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器，声波接收器的接收端与声波发生器相对，斜板轨道靠近末端铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机，驱动电机连接有控制器，声波接收器与控制器连接，声波发生器与小车内置的电源连接，声波发生器用于产生频率固定的声波，

声波接收器设置在斜坡轨道起始端，声波发生器指向该起始端。

本发明依据的原理是：多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。关于多普勒效应中，波源发出的频率、观察者接收到的频率、波源的速度、观察者的速度等关系，是人类已经熟悉的科学知识，如果本说明书有违反多普勒效应规律的错误表述，应当以多普勒效应规律所推导的结果为正确结论，并且这样的结论是毫无疑义可以得到的结论，这样的修改也应当是得到允许的。

本发明使用时，将小车置于斜板轨道的起始端，接通小车声波发生器的电源，声波发生器发出固定频率的声波信号，声波接收器接收到该声波信号并将该信号传送到控制器，小车静止时，声波接收器接收到的声波信号频率与声波发生器发出的固定频率相等，控制器控制调高机构将斜板轨道的起始端升起，直至小车开始沿斜板轨道运动，为了表述方便，在这里令声波发生器做远离声波接收器的运动，根据多普勒效应可知，此后控制器接收声波信号频率小于声波发生器发出的固定频率。如果小车速度越来越大，那么，声波接收器接收到的声波频率就会越来越小，如果小车速度越来越小，那么，声波接收器接收到的声波频率就会越来越大。小车速度越来越大，说明，倾角大了，需要调小一些，也就是控制器控制调高机构降低斜板轨道的起始端；小车速度越来越小，说明倾角小了，需要调节倾角变大，也就是控制器控制调高机构抬升斜板轨道的起始端；如果小车速度不变，那么，接收到的声波频率也就不变了。小车在运动过程中，声波接收器接收到的声波频率不变，就意味着倾角不用调节了。需要强调的是：运动过程中接收的声波频率不变，而非小车静止时频率不变。这两种不变，有什么区别呢？区别在于：运动过程中接收频率不变，接收频率一定小于声波发生器发出的声波频率；小车静止时，声波接收器接收到的频率等于声波发生器发出的频率。

上一段文字，举例说明了波源远离观察者的情况，根据多普勒效应的科学知识，本领域技术人员应当知晓波源靠近观察者的情况。这里的波源就是声波发生器，这里的观察者就是声波接收器。

斜坡轨道水平的时候，小车不可能是匀速的，所以，小车不可能由斜坡轨道的末端自发运动到起始端。

声波可以是次声波，如4Hz，5Hz的频率。也可以是人耳可闻声波，如40Hz，400Hz，4000Hz，50Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，5000Hz，6000Hz，7000Hz，8000Hz的频率，也可以是超声波，如20000Hz，22000Hz，23000Hz，24000Hz，25000Hz，26000Hz，27000Hz，28000Hz，29000Hz，30000Hz。优选超声波，因为超声波技术比较成熟，而且比次声波更不容易发生衍射。这里的声波频率也可以是上述确定点值范围中的某个数值，因为数值有无穷多个，无法一一列出。

本发明的有益效果包括：1，调节快速。2，调节精度高，3，可以在小车运动的同时调节倾角。4，缩短了调节所用的时间，减少了调节次数。不管是理论，还是实际测量，这样调节，比“调一次就要重新测一次”的方式精度高。5，不用给小车初速度。

当然，对声波频率的检测也是有一定频率的，目前的技术，对声波频率的检测频率可以非常高，这样高的检测频率，已经足够高了。

基于发明内容所表述的内容，本发明创造的名称也可以为：基于多普勒效应的动力学轨道，基于多普勒效应的动力学研究装置，基于声学的动力学轨道，基于声学的动力学研究装置，所发明的方法，也可以被命名为：基于多普勒效应而获得匀速运动的方法，一种为研究动力学而调整轨道的方法。

附图说明

图1为本发明实施例一整体示意图。

图2为本发明实施例一斜坡轨道截面示意图。

图3为本发明实施例一分解示意图。

图4为本发明实施例二整体示意图。

图5为本发明实施例二分解示意图。

图中标号名称：1斜板轨道；2底座；3小车；4纵向孔；5纵向豁口；6连接臂；7声波发生器；8声波接收器；9立柱；10铰接轴；11驱动电机；12凹槽轨道；13丝杠；14联轴器；15丝母；16导柱；17导套；18滑块；19支臂；20、30支架；21预调斜板；22旋臂；23纵向滑槽；24滑块；25螺栓；26孔；27固螺母；28弧形齿条；29驱动齿轮。

具体实施方式

本发明实施例一如图1至3所示，该基于声学和电学的动力学轨道包括斜板轨道1、底座2和小车3，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔4，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口5，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂6，连接臂下端连接有声波发生器7，声波发生器与小车内置的电源连接，声波发生器用于产生频率固定的声波，电源通过开关控制声波发生器工作并发出固定频率的声波，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，指向斜坡轨道起始端或末端，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器8，本实施例声波接收器设置在斜坡轨道起始端，声波发生器也同样指向该起始端，实施时如果声波接收器设置在斜坡轨道末端，声波发生器也同样指向该末端，声波接收器的接收端与声波发生器相对，保证声波在纵向孔内传输和采集，底座上设有立柱9，斜板轨道靠近末端通过铰接轴10铰接立柱上，也可不用立柱直接铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机11，驱动电机连接有控制器，声波接收器与控制器连接，斜板轨道上设有纵向凹槽轨道12，小车车轮落入凹槽轨道内防止偏离(凹槽轨道的截面形状优选弧形，而非矩形，为什么弧形更好，原因是弧形可以让小车车轮和凹槽侧壁没有接触，从而减小忽大忽小的摩擦力，为什么车轮和凹槽侧壁接触的摩擦力是忽大忽小的呢？那是因为小车运动时很难保证精确的沿着轨道运动，于是车轮和凹槽侧壁反复碰撞，这种碰撞是小角度偏离直线的碰撞，从而造成摩擦力忽大忽小，倘若摩擦力不变，倒也无妨。)，本实施例调高机构设有竖直的丝杠13，驱动电机通过联轴器14与丝杠连接，与丝杠配合设有丝母15，丝杠旁设有与其平行的导柱16，导柱上设有导套17，导套和丝母固定连接在一滑块18上，滑块铰接有支臂19，支臂与斜板轨道的起始端连接，丝杠、导柱、驱动电机连接在一支架20上，支架固定在底座上，支架上设有控制器盒，驱动电机可以是步进电机，受控制器控制正反转精细调节滑块高度，即精确调节斜坡轨道起始端高度。

本实施例使用时，将小车放置在斜板轨道的起始端，接通小车声波发生器的电源，声波发生器发出固定频率的声波信号，声波接收器接收到该声波信号并将该信号传送到控制器。

小车静止时控制器接收声波信号频率与声波发生器发出的固定频率相等，控制器控制调高机构将斜板轨道的起始端升起，倾角足够大后小车开始沿斜板轨道运动，此后控制器接收声波信号频率小于声波发生器发出的固定频率，为了表述方便，在这里令声波发生器做远离声波接收器的运动，根据多普勒效应可知，此后控制器接收声波信号频率小于声波发生器发出的固定频率。如果小车速度越来越大，那么，声波接收器接收到的声波频率就会越来越小，如果小车速度越来越小，那么，声波接收器接收到的声波频率就会越来越大。小车速度越来越大，说明，倾角大了，需要调小一些，也就是控制器控制调高机构降低斜板轨道的起始端；小车速度越来越小，说明倾角小了，需要调节倾角变大，也就是控制器控制调高机构抬升斜板轨道的起始端；如果小车速度不变，那么，接收到的声波频率也就不变了。小车在运动过程中，声波接收器接收到的声波频率不变，就意味着倾角不用调节了。

声波接收器接收到声波，要把该信息“告知”控制器，控制器有很多功能，包括检测所接收的声波频率，所以，既可以说是声波接收器接收到声波，也可以说控制器接收到声波。这些知识是本领域最一般的知识。好比是人听到声音，在表述人听到声音的时候，不会问：到底是耳朵听到声音，还是耳膜听到声音，还是大脑听到声音？

小车静止时控制器接收声波信号频率与声波发生器发出的固定频率相等，控制器控制调高机构将斜板轨道的起始端升起，直至小车开始沿斜板轨道运动，注意：斜板轨道倾角逐渐变大的过程，小车会从静止于轨道变为运动，刚运动的时候，是加速运动的，而不是匀速运动的，这是因为最大静摩擦力会比滑动摩擦力大一些。

本发明实施例二如图4所示，该基于声学和电学的动力学轨道在斜板轨道下方设有条形的预调斜板21，斜板轨道末端铰接在预调斜板的一侧端头，斜板轨道起始端与预调斜板的另一侧间端头间设有调角机构，通过调角机构可以调节斜板轨道和预调斜板间的角度，使斜板轨道处于一个大约的倾斜度，不但可增大调节行程，还可以避免调高机构精细调节速度慢的问题，提高调节速度，预调斜板靠近其铰接处的一侧端头铰接在底座上，预调斜板另一端通过调高机构与底座相连；本实施例调角机构设有一端铰接在预调斜板上的旋臂22，斜板轨道上设有纵向滑槽23，滑槽内设有滑块24，滑块上连接有伸出滑槽的螺栓25，旋臂另一端设有螺栓穿过的孔26，螺栓连接有压在旋臂上的紧固螺母27，可以实现快速调节，实施时调角机构还可以为其它结构，如丝杠调高结构；调高机构与实施例一不同，设有与斜板轨道铰接处同轴的弧形齿条28，驱动电机连接有与弧形齿条配合的驱动齿轮29，驱动电机通过支架30与底座相连，角度调节更直接。

实施时，斜板轨道铰接处距斜板轨道末端距离小于斜板轨道长度的二分之一为较佳，调节精度高，但并不局限与此范围；也可在斜板轨道末端设有阻挡小车的挡块，挡块或小车的碰撞位置设有缓冲装置，如胶垫、弹簧、网兜等；还可在纵向豁口的两侧边缘分别连接有内缘靠在一起的柔性密封条，如柔软的硅胶，连接臂可以由期间划过，为纵向孔提供一定的密闭性，防止声波过度衰减和受到外界干扰；需要说明，本发明只要摩擦力恒定，就可以利用倾角来抵消摩擦力造成的影响，也就是说，即使柔性密封条和连接臂有摩擦，也不碍事。声波发生器、声波接收器分别连接有声导管，两声导管轴线共线，发射和接受都具有较好的指向性，进一步防止受到干扰；还可以：驱动电机连接有驱动电路，驱动电路连接升开关和降开关，跳过控制器直接快速预调坡度；还可在斜板轨道末端设有小车可撞击到的行程开关，行程开关连接到控制器，在小车行至末端时行程开关向控制器发出信号，控制器停止调高机构的动作。

在本发明中，斜坡轨道可以以任意倾角作为初始摆放倾角，利用本发明所述的方法结合装置，可以自动调节。

综上所述仅为本发明较佳实施例，凡依本申请所做的等效修饰和现有技术添加均视为本发明技术范畴。

Claims (2)

1.基于多普勒效应的轨道调整方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

第一步，声波发生器工作，发出频率为f的声波，且f＝20900Hz，

第二步，声波接收器接收到声波发生器发出的声波，控制器检测接收到的声波，

如果检测该声波频率为f，则：控制器控制驱动电机，驱动电机工作，驱动电机带动调高机构，使斜板轨道倾角增大，

如果检测该声波频率不是f，则根据多普勒效应，判断声波发生器的速度变化，进而控制器控制驱动电机，驱动电机以不同的工作状态，控制调高机构，使斜板轨道倾角增大或者减小，直到：检测到的声波频率为非f，并且恒定，控制器控制驱动电机，让驱动电机保持不工作或者变为不工作，从而使斜板轨道倾角保持不变，

所述方法采用的装置是一种基于声学和电学的动力学轨道，所述基于声学和电学的动力学轨道包括斜板轨道、底座和小车，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂，连接臂下端连接有声波发生器，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器，声波接收器的接收端与声波发生器相对，斜板轨道靠近末端铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机，驱动电机连接有控制器，声波接收器与控制器连接，声波发生器与小车内置的电源连接，声波发生器用于产生频率固定的声波，所述底座上设有立柱，斜板轨道靠近末端铰接立柱上。

2.一种基于声学和电学的动力学轨道，其特征在于包括斜板轨道、底座和小车，斜板轨道内设有一与小车行驶直线平行的纵向孔，斜板轨道表面设有与纵向孔联通的且与小车行驶直线平行的纵向豁口，小车底部设有由纵向豁口伸入纵向孔的连接臂，连接臂下端连接有声波发生器，声波发生器指向与小车行驶所在直线平行，声波发生器指向的纵向孔的端头设有声波接收器，声波接收器的接收端与声波发生器相对，斜板轨道靠近末端铰接在底座上，斜板轨道起始端通过调高机构与底座相连，调高机构连接有驱动电机，驱动电机连接有控制器，声波接收器与控制器连接，声波发生器与小车内置的电源连接，声波发生器用于产生频率固定的声波，声波频率为20900Hz，

所述底座上设有立柱，斜板轨道靠近末端铰接立柱上。