CN105894915A - 一种新型音叉共振演示仪 - Google Patents

Abstract

一种新型音叉共振演示仪，属于物理教学用实验仪器，包括透明投影箱、透明支架、透明隔音罩、音叉、内置扩音器式音箱、可调焦强光手电筒、音频发生器软件及智能手机等。实验时，智能手机上的音频发生器软件能产生一定频率的电信号，并输送到内置扩音器式音箱并使之发出相应频率的声音，音叉在声音的作用下作受迫振动。当声音的频率等于音叉的固有频率时，音叉发生共振并在水面产生剧烈的水花，其水花投影通过可调焦强光手电筒及平面镜在半透明塑料屏幕上显现出来，从而直观明显地表现了音叉共振现象且能持续共鸣，体现了实验仪器的科学性、教学性及趣味性。

Description

一种新型音叉共振演示仪

技术领域

本发明公开了一种新型音叉共振演示仪，涉及一种结合透明投影箱演示音叉共振现象的实验仪器，属于物理教学用实验仪器。

背景技术

在物理教学中，教师一般用两个音叉来演示共振实验，即共鸣实验。音叉是呈“Y”形的钢质或铝合金发声器，各种音叉可因其质量和叉臂长短、粗细不同而在振动时发出不同频率的纯音。实验时，取两个固有频率相同的音叉a和b并让其共鸣箱口对口放置，敲击音叉a使它发声，过一会儿用手按住音叉a使其停止发声，此时可以听到没有被敲击的音叉b也发出了声音，再用细线吊一个乒乓球，靠近音叉b上端，会发现乒乓球被弹开，说明音叉b在音叉a所发声音的作用下发生了共振。该常规实验方案存在许多不足：(1)由于音叉a所发声音的响度不够，实验现象不够明显；(2)用弹开的乒乓球演示音叉的振动不够直观；(3)由于音叉振动损耗明显，导致音叉振动时间短，不能持续共鸣。为了解决上述不足，让音叉共振实验更加明显、直观且能持续共鸣，本人设计了一种结合透明投影箱演示音叉共振现象的新型实验仪器。

发明内容

一种新型音叉共振演示仪，包括透明投影箱、透明支架、透明隔音罩、音叉、内置扩音器式音箱、可调焦强光手电筒、音频发生器软件及智能手机等，其特征是：透明投影箱具体包括透明投影箱本体、透明水槽、清水、平面镜、半透明塑料屏幕、把手孔、水槽卡口、水花及水花投影等，其中透明水槽通过水槽卡口固定在透明投影箱本体上方，透明水槽中盛有1.5厘米深的清水，平面镜斜放在透明投影箱本体中并与底部成45度角，半透明塑料屏幕粘贴在透明投影箱本体正面内壁，透明投影箱本体两侧面各有一个略大于手掌的椭圆形把手孔；透明支架具体包括透明支架本体、插叉股用圆孔、倒水用椭圆孔、音叉卡口、音箱卡口和隔音罩卡口等，透明支架放在透明水槽上；音叉具体包括共鸣箱、叉股和调频件，音叉倒立后叉股插入插叉股用圆孔，共鸣箱被音叉卡口卡住，音叉叉股刚好接触水槽中的水面且与水面的夹角小于90度，调节调频件的位置可以改变音叉的固有频率；内置扩音器式音箱具体包括音箱本体、内置扩音器、开关、音量调节旋钮及音箱接线等，内置扩音器式音箱正对音叉的共鸣箱，其音箱接线通过插音箱接线用小圆孔与装有音频发生器软件的智能手机连接；透明隔音罩具体包括透明隔音罩本体、可调焦强光手电筒卡口、插音箱接线用小圆孔及手机卡口，通过隔音罩卡口卡在透明支架上方，能将内置扩音器式音箱罩在其中，从而避免声音太吵；可调焦强光手电筒具体包括强光手电筒本体、开关、高亮度LED灯、凸透镜、调焦旋钮等，可调焦强光手电筒卡在透明隔音罩上方，发出的光线能照到音叉叉股与水面接触的附近区域。

本发明的原理具体说明如下：实验时，智能手机上的音频发生器软件能产生一定频率的电信号并输送到内置扩音器式音箱，内置扩音器式音箱能发出相应频率的声音，音叉的共鸣箱和叉股从而在声音的作用下作受迫振动。当声音的频率等于音叉的固有频率时满足共振条件，此时音叉叉股振动最明显。同时，刚好碰触水面的音叉叉股振动后能在水面产生剧烈的水花，在可调焦强光手电筒所发光线照射下的水花通过平面镜反射投影到半透明塑料屏幕上并显示出来。可见，内置扩音器式音箱发出的声音能使音叉发生共振并产生剧烈的水花，其水花投影通过可调焦强光手电筒及平面镜在半透明塑料屏幕上显现出来，从而直观明显地表现了音叉共振现象且能持续共鸣。

以选用固有频率为440Hz的音叉为例，实验时根据要求固定好各器件后，通过倒水用椭圆孔向透明水槽中倒入适量清水直到水面刚好接触音叉叉股，打开可调焦强光手电筒的开关并调节调焦旋钮使光照在音叉叉股与水面接触的附近区域，再让智能手机上的音频发生器软件发出一定频率的电信号使内置扩音器式音箱发出声音，通过音量调节旋钮尽量调高音量后保持不变，通过音频发生器软件调节电信号的频率从400Hz增大到500Hz，当输入频率比较接近440Hz时，音叉才有比较明显的振动并在水面产生水花。实验时，可以通过调频件改变音叉的固有频率，重复上述实验步骤，可以发现只有当声音频率等于音叉的固有频率时，音叉发生共振，此时产生的水花最为剧烈，在半透明塑料屏幕上看到的水花投影也最明显。

另外，该实验仪器不仅可以探究音箱声音的频率对音叉振动的影响，还可以探究音箱声音的音量对音叉振动的影响。实验时，可以保持输入电信号的频率不变，通过音箱的音量调节旋钮改变内置扩音器式音箱所发声音的音量，可以发现声音音量越高，音叉振动越明显，在半透明塑料屏幕上看到的投影效果也越明显。

附图说明

图1是本发明整体的正视图；

图2是图1中的左视图；

图3是图1中各组成部分拆分后的正视图；

图4是图1中透明投影箱部分的简易立体图；

图5是图1中音叉部分的放大图；

图6是图1中音箱部分的放大图；

图7是图1中可调焦强光手电筒部分的放大图；

图8是本发明共振部分的原理图；

图9是本发明投影部分的原理图。

图中：1.透明投影箱，具体涉及1a.透明投影箱本体、1b.透明水槽、1c.清水、1d.平面镜、1e.半透明塑料屏幕、1f.把手孔、1g.水槽卡口、1h.水花及1i.水花投影；2.透明支架，具体涉及2a.透明支架本体、2b.插叉股用圆孔、2c.倒水用椭圆孔、2d.音叉卡口、2e.音箱卡口及2f.隔音罩卡口；3.透明隔音罩，具体涉及3a.透明隔音罩本体、3b.可调焦强光手电筒卡口、3c.插音箱接线用小圆孔及3d.手机卡口；4.音叉，具体涉及4a.共鸣箱、4b.叉股及4c.调频件；5.内置扩音器式音箱，具体涉及5a.音箱本体、5b.内置扩音器、5c.开关、5d.音量调节旋钮及5e.音箱接线；6.可调焦强光手电筒，具体涉及6a.强光手电筒本体、6b.开关、6c.高亮度LED灯、6d.凸透镜及6e.调焦旋钮等；7.音频发生器软件；8.智能手机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合图1、图2和图3，一种新型音叉共振演示仪，包括透明投影箱(1)、透明支架(2)、透明隔音罩(3)、音叉(4)、内置扩音器式音箱(5)、可调焦强光手电筒(6)、音频发生器软件(7)及智能手机(8)等。

再结合图4，透明投影箱(1)具体包括透明投影箱本体(1a)、透明水槽(1b)、清水(1c)、平面镜(1d)、半透明塑料屏幕(1e)、把手孔(1f)、水槽卡口(1g)、水花(1h)及水花投影(1i)等，其中透明水槽(1b)通过水槽卡口(1g)固定在透明投影箱本体(1a)上方，透明水槽(1b)中盛有1.5厘米深的清水(1c)，平面镜(1d)斜放在透明投影箱本体(1a)中并与底部成45度角，半透明塑料屏幕(1e)粘贴在透明投影箱本体(1a)正面内壁，透明投影箱本体(1a)两侧面各有一个略大于手掌的椭圆形把手孔(1f)。

透明支架(2)具体包括透明支架本体(2a)、插叉股用圆孔(2b)、倒水用椭圆孔(2c)、音叉卡口(2d)、音箱卡口(2e)和隔音罩卡口(2f)等，透明支架(2)放在透明水槽(1b)上。

再结合图5，音叉(4)具体包括共鸣箱(4a)、叉股(4b)和调频件(4c)，音叉(4)倒立后叉股(4b)插入插叉股用圆孔(2b)，共鸣箱(4a)被音叉卡口(2d)卡住，音叉叉股(4b)刚好接触水槽中的水面且与水面的夹角小于90度，调节调频件(4c)的位置可以改变音叉的固有频率。

再结合图6，内置扩音器式音箱(5)具体包括音箱本体(5a)、内置扩音器(5b)、开关(5c)、音量调节旋钮(5d)及音箱接线(5e)等，内置扩音器式音箱(5)正对音叉的共鸣箱(4a)，其音箱接线(5e)通过插音箱接线用小圆孔(3c)与装有音频发生器软件(7)的智能手机(8)连接。

透明隔音罩(3)具体包括透明隔音罩本体(3a)、可调焦强光手电筒卡口(3b)、插音箱接线用小圆孔(3c)及手机卡口(3d)，通过隔音罩卡口(2f)卡在透明支架(2)上方，能将内置扩音器式音箱(5)罩在其中，从而避免声音太吵。

再结合图7，可调焦强光手电筒(6)具体包括强光手电筒本体(6a)、开关(6b)、高亮度LED灯(6c)、凸透镜(6d)、调焦旋钮(6e)等，可调焦强光手电筒(6)卡在透明隔音罩(3)上方，发出的光线能照到音叉叉股(4b)与水面接触的附近区域。

结合图1、图8和图9，本发明的原理具体说明如下：实验时，智能手机(8)上的音频发生器软件(7)能产生一定频率的电信号并输送到内置扩音器式音箱(5)，内置扩音器式音箱(5)能发出相应频率的声音，音叉的共鸣箱(4a)和叉股(4b)从而在声音的作用下作受迫振动。当声音的频率等于音叉(4)的固有频率时满足共振条件，此时音叉叉股(4b)振动最明显。同时，刚好碰触水面的音叉叉股(4b)振动后能在水面产生剧烈的水花(1h)，在可调焦强光手电筒(6)所发光线照射下的水花(1h)通过平面镜(1d)反射投影到半透明塑料屏幕(1e)上并显示出来。可见，内置扩音器式音箱(5)发出的声音能使音叉(4)发生共振并产生剧烈的水花(1h)，其水花投影(1i)通过可调焦强光手电筒(6)及平面镜(1d)在半透明塑料屏幕(1e)上显现出来，从而直观明显地表现了音叉共振现象且能持续共鸣。

结合图1和图2，以选用固有频率为440Hz的音叉(4)为例，实验时根据要求固定好各器件后，通过倒水用椭圆孔(2c)向透明水槽(1b)中倒入适量清水(1c)直到水面刚好接触音叉叉股(4b)，打开可调焦强光手电筒(6)的开关(6b)并调节调焦旋钮(6e)使光照在音叉叉股(4b)与水面接触的附近区域，再让智能手机(8)上的音频发生器软件(7)发出一定频率的电信号使内置扩音器式音箱(5)发出声音，通过音量调节旋钮(5d)尽量调高音量后保持不变，通过音频发生器软件(7)调节电信号的频率从400Hz增大到500Hz，当输入频率比较接近440Hz时，音叉(4)才有比较明显的振动并在水面产生水花。实验时，可以通过调频件(4c)改变音叉的固有频率，重复上述实验步骤，可以发现：只有当声音频率等于音叉的固有频率时，音叉发生共振，此时产生的水花(1h)最为剧烈，在半透明塑料屏幕(1e)上看到的水花投影(1i)也最明显。

结合图1和图6，该实验仪器不仅可以探究音箱声音的频率对音叉(4)振动的影响，还可以探究音箱声音的音量对音叉(4)振动的影响。实验时，可以保持输入电信号的频率不变，通过音箱的音量调节旋钮(5d)改变内置扩音器式音箱(5)所发声音的音量，可以发现声音音量越高，音叉(4)振动越明显，在半透明塑料屏幕(1e)上看到的投影效果也越明显。

总之，该新型音叉共振演示仪作为一种物理实验仪器，可以持续直观地演示音叉的共振现象，与常规音叉共振实验相比有许多优点，用音箱作为驱动声源共振现象持续时间长，结合透明投影箱共振时产生的水花四溅、水波清晰明显，体现了实验仪器的科学性、教学性及趣味性。

Claims (7)

1.一种新型音叉共振演示仪，包括透明投影箱(1)、透明支架(2)、透明隔音罩(3)、音叉(4)、内置扩音器式音箱(5)、可调焦强光手电筒(6)、音频发生器软件(7)及智能手机(8)等。

2.根据权利要求1所述的透明投影箱(1)，其特征是：透明投影箱(1)具体包括透明投影箱本体(1a)、透明水槽(1b)、清水(1c)、平面镜(1d)、半透明塑料屏幕(1e)、把手孔(1f)、水槽卡口(1g)、水花(1h)及水花投影(1i)等，其中透明水槽(1b)通过水槽卡口(1g)固定在透明投影箱本体(1a)上方，透明水槽(1b)中盛有1.5厘米深的清水(1c)，平面镜(1d)斜放在透明投影箱本体(1a)中并与底部成45度角，半透明塑料屏幕(1e)粘贴在透明投影箱本体(1a)正面内壁，透明投影箱本体(1a)两侧面各有一个略大于手掌的椭圆形把手孔(1f)。

3.根据权利要求1所述的透明支架(2)，其特征是：透明支架(2)具体包括透明支架本体(2a)、插叉股用圆孔(2b)、倒水用椭圆孔(2c)、音叉卡口(2d)、音箱卡口(2e)和隔音罩卡口(2f)等，透明支架(2)放在透明水槽(1b)上。

4.根据权利要求1所述的音叉(4)，其特征是：音叉(4)具体包括共鸣箱(4a)、叉股(4b)和调频件(4c)，音叉(4)倒立后叉股(4b)插入插叉股用圆孔(2b)，共鸣箱(4a)被音叉卡口(2d)卡住，音叉叉股(4b)刚好接触水槽中的水面且与水面的夹角小于90度，调节调频件(4c)的位置可以改变音叉的固有频率。

5.根据权利要求1所述的内置扩音器式音箱(5)，其特征是：内置扩音器式音箱(5)具体包括音箱本体(5a)、内置扩音器(5b)、开关(5c)、音量调节旋钮(5d)及音箱接线(5e)等，内置扩音器式音箱(5)正对音叉的共鸣箱(4a)，其音箱接线(5e)通过插音箱接线用小圆孔(3c)与装有音频发生器软件(7)的智能手机(8)连接。

6.根据权利要求1所述的透明隔音罩(3)，其特征是：透明隔音罩(3)具体包括透明隔音罩本体(3a)、可调焦强光手电筒卡口(3b)、插音箱接线用小圆孔(3c)及手机卡口(3d)，通过隔音罩卡口(2f)卡在透明支架(2)上方，能将内置扩音器式音箱(5)罩在其中。

7.根据权利要求1所述的可调焦强光手电筒(6)，其特征是：可调焦强光手电筒(6)具体包括强光手电筒本体(6a)、开关(6b)、高亮度LED灯(6c)、凸透镜(6d)、调焦旋钮(6e)等，可调焦强光手电筒(6)卡在透明隔音罩(3)上方，发出的光线能照到音叉叉股(4b)与水面接触的附近区域。