CN106404150B - 一种机械示波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验教学展示设备技术领域，尤其涉及一种用于展示机械振动的波形图像的机械示波器。该机械示波器包括反光转筒、电磁振子、电动振子和自由振动振子。电磁振子和自由振动振子顺向排列，电动振子设置于电磁振子和自由振动振子的同一侧，且位于电磁振子和自由振动振子之间，以使入射的激光光束通过反光转筒的反射后，能顺次经由所述电磁振子、电动振子和自由振动振子反射后，在屏幕上成像。该机械示波器结构裸露而直观、体积较小、便于携带和搬运，能够直接观测电磁振子、电动振子和机械自由振动振子各自振动形成的波形图，以及不同振子同时进行机械振动的同方向和垂直方向的合成运动波形图。

Description

一种机械示波器

技术领域

本发明涉及实验教学展示设备技术领域，尤其涉及一种用于展示机械振动的波形图像的机械示波器。

背景技术

在实验教学当中，通常使用电子示波器来展示振动的波形图像，当频率较大而频率之差很小的两个方向简谐运动合成时，其和振动振幅时而增强时而减弱的现象叫做拍现象；由在互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线叫做李萨如图形。目前常用的示波器是电子示波器，再配两台信号发生器来显示拍现象和李萨如图形。但是采用此种模式显示的波形虽然精度高，但观察者看不到波形的形成过程和合成的过程，非常抽象和隐蔽，其教学效果并不佳，并且所需要的设备数量多(三台)体积大、重量重、设备价格也很高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种机械示波器，用于展示机械振动的波形图像，能够直接观测电磁振子、电动振子和机械自由振动振子各自振动形成的波形图，也能够观测不同振子同时进行机械振动的合成运动波形图。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种机械示波器，包括反光转筒、电磁振子、电动振子和自由振动振子，所述电磁振子和自由振动振子顺向排列，所述电动振子设置于所述电磁振子和自由振动振子的同一侧，且位于所述电磁振子和自由振动振子之间，以使入射的激光光束通过所述反光转筒的反射后，能顺次经由所述电磁振子、电动振子和自由振动振子反射后，在屏幕上成像。

进一步的，所述电磁振子包括电磁线圈、振片和第一反光镜，所述电磁线圈通过振片与第一反光镜连接，所述电磁线圈产生电磁场带动所述振片竖直振动，以带动所述第一反光镜竖直振动。

进一步的，所述电动振子包括电动机、连杆机构和第二反光镜，所述连杆机构上设有一固定点，且所述连杆机构的两端分别与电动机和第二反光镜连接，所述电动机的输出轴作圆周运动，带动所述连杆机构围绕所述固定点转动，以带动所述第二反光镜竖直振动。

进一步的，所述自由振动振子包括直尺和第三反光镜，所述直尺的一端固定，另一端与第三反光镜连接，所述直尺用于带动第三反光镜作水平横向振动。

进一步的，所述直尺上设有频率调整块，所述频率调整块能沿直尺长度方向滑动，以调节所述直尺的振动频率。

进一步的，所述反光转筒包括滚筒和减速器，所述滚筒的外表面贴覆有反光镜片，所述滚筒的转动轴与减速器的输出轴连接。

进一步的，所述滚筒为多边形截面的柱体结构，以使所述滚筒具有多个侧表面，所述滚筒的每个侧表面上分别设有一面所述反光镜片。

进一步的，还包括激光发射器，所述激光发射器用于向所述反光转筒发射所述激光光束。

进一步的，还包括频率计，所述频率计与电磁振子连接。

进一步的，所述反光转筒、电磁振子、电动振子和自由振动振子分别连接有电源。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的机械示波器包括反光转筒、电磁振子、电动振子和自由振动振子，电磁振子和自由振动振子顺向排列，电动振子设置于电磁振子和自由振动振子的同一侧，且位于电磁振子和自由振动振子之间，以使入射的激光光束通过反光转筒的反射后，能顺次经由所述电磁振子、电动振子和自由振动振子反射后，在屏幕上成像。该机械示波器用于展示机械振动的波形图像，该机械示波器结构裸露而直观、体积较小、便于携带和搬运，能够直接观测电磁振子、电动振子和机械自由振动振子各自振动形成的波形图，也能够观测不同振子同时进行机械振动的同方向和垂直方向的合成运动波形图，且还能够方便的进行拍现象图形和李萨如图形的切换观测，节约实验时间；本机械机械示波器是全部采用能够看得见的纯机械振动来完成振动波形的显示与合成，上述的纯机械振动是指无论采用何方式最终振子的运动是机械运动，因此其现象极其直观、生动，且设备简单体积小重量轻便于携带价格也非常便宜，很适合用于中学和大学的教学中，可获得立竿见影的教学效果。

附图说明

图1为本发明实施例的机械示波器的结构示意图；

图2为本发明实施例的机械示波器的实验原理图；

图3为本发明实施例的电磁振子的结构示意图；

图4为本发明实施例的电动振子的结构示意图；

图5为本发明实施例的自由振动振子的结构示意图。

其中，1、电磁振子；2、电动振子；3、自由振动振子；4、反光转筒；5、电动机；6、连杆机构；7、第二反光镜；8、电磁线圈；9、振片；10、第一反光镜；11、直尺；12、第三反光镜；13、频率调整块；14、频率计；15、电源；16、激光发射器；A、拍现象图形；B、李萨如图形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例的机械示波器是一种利用多个不同动力驱动下的机械振子分别或同时进行机械振动、从而实现展示机械振动的波形图像的示波器。该机械示波器结构裸露而直观、体积较小、便于携带和搬运，能够直接观测电磁振子1、电动振子2和机械自由振动振子3各自振动形成的波形图，也能够观测不同振子同时进行机械振动的合成运动波形图，且还能够方便的进行拍现象图形A和李萨如图形B的切换观测，节约实验时间。

如图1所示，本实施例所述的机械示波器包括反光转筒4、电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3，优选反光转筒4、电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3分别连接电源15；电磁振子1和自由振动振子3顺向排列，电动振子2设置于电磁振子1和自由振动振子3的同一侧，且位于电磁振子1和自由振动振子3之间，以使入射的激光光束通过反光转筒4的反射后，能顺次经由电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3反射后，在屏幕上成像，可以根据需要单独配置屏幕，也可以直接以墙壁作为屏幕进行投影成像，只要保证激光光束沿自由振动振子3反射后投影到屏幕或墙壁上即可。在实验中，可以根据实验需要，使电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3中的一个振动，或者使三者中的任意两个同时振动，当一个振子单独振动时，该机械示波器能展示单独的机械振动波形图，当任意两个振子同时震动时，该机械示波器能够展示不同振子同时进行机械振动的同方向和垂直方向的合成运动波形图。

如图3所示，本实施例的电磁振子1包括电磁线圈8、振片9和第一反光镜10，电磁线圈8通过振片9与第一反光镜10连接，电磁线圈8产生电磁场带动振片9竖直振动，以带动第一反光镜10竖直振动，从而使得该电磁振子1实现纵向振动，激光光束通过第一反光镜10反射时，能够如实反应该电磁振子1的纵向振动状态，本实施例的电磁振子1具有固定的预设振动频率；为了便于实验展示，本实施例的电磁振子1优选为打点计时器，将第一反光镜10替换掉打点计时器中与振片9连接的振针即可，打点计时器的振动频率为交流市电的工频50Hz。

如图4所示，本实施例的电动振子2包括电动机5、连杆机构6和第二反光镜7，连杆机构6上设有一固定点，且连杆机构6的两端分别与电动机5和第二反光镜7连接，电动机5的输出轴作圆周运动，带动连杆机构6围绕固定点转动，以带动第二反光镜7竖直振动，换言之，本实施例的电动振子2将电动机5的圆周运动通过连杆机构6转换为第二反光镜7的竖直往复振动，从而使得该电动振子2实现纵向振动，激光光束通过第二反光镜7反射时，能够如实反应该电动振子2的纵向振动状态；优选通过改变电动机5供电电压实现该电动振子2的振动频率的变化。

如图5所示，本实施例的自由振动振子3包括直尺11和第三反光镜12，直尺11的一端固定，另一端与第三反光镜12连接，直尺11用于带动第三反光镜12作水平横向振动；为了便于直尺11做横向运动，优选将直尺11的长度方向水平设置，且其正反两个侧面竖直设置，当直尺11的一端固定时，波动另一端即可使直尺11的该端部作横向往复振动，从而带动第三反光镜12横向振动，激光光束通过第三反光镜12反射时，能够如实反应该自由振动振子3的横向振动状态。进一步的，为了便于调节直尺11的振动频率，优选在直尺11上设有频率调整块13，频率调整块13能沿直尺11长度方向滑动，以根据需要快速调节直尺11的振动频率。

本实施例的反光转筒4包括滚筒和减速器，滚筒的外表面贴覆有反光镜片，滚筒的转动轴与减速器的输出轴连接，减速器带动滚筒转动，以根据需要调整激光光束的反射角度；为了保证反光转筒4对激光光束的反射角度精确可靠，优选滚筒为多边形截面的柱体结构，以使滚筒具有多个侧表面，滚筒的每个侧表面上分别设有一面反光镜片，本实施例为了便于实验，优选滚筒的外表面贴覆有25个反光镜片，减速器通过开关与可调直流电源15连接。

本实施例的机械示波器还进一步包括激光发射器16，激光发射器16用于向反光转筒4发射激光光束，保证激光发射器16发射的激光光束沿入射线路经过反光转筒4，然后经由确定的反射线路顺向反射到第一反光镜10、第二反光镜7和第三反光镜12上即可；本实施例的激光发射器16优选为绿色激光笔，该绿色激光笔连接有电源15。

本实施例的机械示波器还进一步包括频率计14，频率计14分别与电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3连接，以便于根据实验展示需要，更加精确的确定各个振子的振动频率。

具体的，如图2所示，本实施例的机械示波器中，电磁振子1和电动振子2的振动方向为纵向，而自由振动振子3的振动方向为横向。当分别单独振动电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3时，如果反光转筒4中的滚筒未转动，则激光光束反射后的光斑在屏幕中的轨迹分别为垂直线、垂直线和水平线；如果滚筒转动(即将光斑水平扫描)，则光斑在屏幕中的轨迹分别为正弦波、正弦波和水平线；此外，由于电动振子2的频率可变，则当滚筒转动、且单独振动电动振子2时，光斑在屏幕中的轨迹所显示的正弦波的图形会随着电动振子2的频率变化而发生疏密变化，即该正弦波的频率随电动振子2的频率变化而变化。

当滚筒转动时，如果电磁振子1和电动振子2同时振动，保证电磁振子1的频率固定不变，调整电动振子2的频率大小，使之与电磁振子1的频率之间存在频率差，优选该频率差的数值不应过大，通常在±5Hz左右，当两个振子的频率相差不大时，则光斑在屏幕中的轨迹为包络面幅度周期性变化的拍现象图形A；当滚筒不转动时，电动振子2与自由振动振子3同时振动，调整电动振子2或自由振动振子3的频率大小，使得实验中电动振子2的频率与自由振动振子3的频率之间存在整数倍关系，则光斑在屏幕中的轨迹为椭圆、横“8”字或竖“8”字等李萨如图形B，图2中所示的李萨如图形B仅为实验时可能展示出的若干种李萨如图形中的一种。

进一步具体的，当仅有电磁振子1与电动振子2同时振动时，使滚筒转动，由于电磁振子1和电动振子2均为纵向振动振子，且电动振子2的频率可变，使得光斑在屏幕上显示为拍现象图形A；当仅有电磁振子1与自由振动振子3同时振动时，确保滚筒不转动，由于电磁振子1为纵向振动振子，且频率固定，而自由振动振子3为横向振动振子，且频率可调，则调整自由振动振子3的频率，使之为电磁振子1的频率的整数倍，使得光斑在屏幕上显示为某一种李萨如图形；当仅有电动振子2与自由振动振子3同时振动时，使滚筒不转动，由于电动振子2为纵向振动振子，而自由振动振子3为横向振动振子，且两者的频率均可变，只要调整两者的频率，使两者的频率之间存在整数倍关系，即可使光斑在屏幕上显示为某一种李萨如图形。

其中，当仅有电磁振子1与自由振动振子3同时振动、或者仅有电动振子2与自由振动振子3同时振动时，如果两个振子的频率之间的整数倍关系为1:1，则光斑在屏幕上显示为横椭圆、竖椭圆、斜椭圆或斜线中的一种李萨如图形；如果上述的两个振子之间的整数倍关系不是1:1，则光斑在屏幕上显示为横8字、竖8字或斜8字中的一种李萨如图形。

综上所述，本实施例的机械示波器包括反光转筒4、电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3，电磁振子1和自由振动振子3顺向排列，电动振子2设置于电磁振子1和自由振动振子3的同一侧，且位于电磁振子1和自由振动振子3之间，以使入射的激光光束通过反光转筒4的反射后，能经由电磁振子1、电动振子2和自由振动振子3中的一个或几个的顺次组合进行反射，最后在屏幕上成像。该机械示波器用于展示机械振动的波形图像，该机械示波器结构裸露而直观、体积较小、便于携带和搬运，能够直接观测电磁振子1、电动振子2和机械自由振动振子3各自振动形成的波形图，也能够观测不同振子同时进行机械振动的同方向和垂直方向的合成运动波形图，且还能够方便的进行拍现象图形A和李萨如图形B的切换观测，节约实验时间。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种机械示波器，其特征在于，包括反光转筒(4)、电磁振子(1)、电动振子(2)和自由振动振子(3)，所述电磁振子(1)和自由振动振子(3)顺向排列，所述电动振子(2)设置于所述电磁振子(1)和自由振动振子(3)的同一侧，且位于所述电磁振子(1)和自由振动振子(3)之间，以使入射的激光光束通过所述反光转筒(4)的反射后，能顺次经由所述电磁振子(1)、电动振子(2)和自由振动振子(3)反射后，在屏幕上成像；

其中，所述电磁振子(1)和所述电动振子(2)的振动方向为纵向，所述自由振动振子(3)的振动方向为横向；

所述反光转筒(4)包括滚筒；

所述电磁振子(1)、所述电动振子(2)、所述自由振动振子(3)以及所述滚筒配合以形成垂直线、水平线、正弦波、拍现象图形或李萨如图形。

2.根据权利要求1所述的机械示波器，其特征在于，所述电磁振子(1)包括电磁线圈(8)、振片(9)和第一反光镜(10)，所述电磁线圈(8)通过振片(9)与第一反光镜(10)连接，所述电磁线圈(8)产生电磁场带动所述振片(9)竖直振动，以带动所述第一反光镜(10)竖直振动。

3.根据权利要求1所述的机械示波器，其特征在于，所述电动振子(2)包括电动机(5)、连杆机构(6)和第二反光镜(7)，所述连杆机构(6)上设有一固定点，且所述连杆机构(6)的两端分别与电动机(5)和第二反光镜(7)连接，所述电动机(5)的输出轴作圆周运动，带动所述连杆机构(6)围绕所述固定点转动，以带动所述第二反光镜(7)竖直振动。

4.根据权利要求1所述的机械示波器，其特征在于，所述自由振动振子(3)包括直尺(11)和第三反光镜(12)，所述直尺(11)的一端固定，另一端与第三反光镜(12)连接，所述直尺(11)用于带动第三反光镜(12)作水平横向振动。

5.根据权利要求4所述的机械示波器，其特征在于，所述直尺(11)上设有频率调整块(13)，所述频率调整块(13)能沿直尺(11)长度方向滑动，以调节所述直尺(11)的振动频率。

6.根据权利要求1所述的机械示波器，其特征在于，所述反光转筒(4)还包括减速器，所述滚筒的外表面贴覆有反光镜片，所述滚筒的转动轴与减速器的输出轴连接。

7.根据权利要求6所述的机械示波器，其特征在于，所述滚筒为多边形截面的柱体结构，以使所述滚筒具有多个侧表面，所述滚筒的每个侧表面上分别设有一面所述反光镜片。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的机械示波器，其特征在于，还包括激光发射器(16)，所述激光发射器(16)用于向所述反光转筒(4)发射所述激光光束。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的机械示波器，其特征在于，还包括频率计(14)，所述频率计(14)与电磁振子(1)连接。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的机械示波器，其特征在于，所述反光转筒(4)、电磁振子(1)、电动振子(2)和自由振动振子(3)分别连接有电源(15)。