CN110428708B - 一种声音可视化的李萨如图演示装置 - Google Patents

Abstract

提出一种声音可视化的李萨如图演示装置，其包括铝合金支架、1个激光器系统、2个声音共振腔系统、1个音响控制系统、1个白色荧幕，其中铝合金支架用于支撑且作为整体框架，激光器系统用于控制激光的产生，声音共振腔系统用于放大及共振声音，音响控制系统用于将产生的声音放大且被人耳所感知，白色荧幕用于显示声音信号的李萨如图形。本发明通过激光显示无法看见的声音现象，实现声音的可视化。可以演示声音的振动、音响左右声道振动区别以及李萨如图。本发明具有较强的互动性、趣味性与可操作性，适合在学校教室环境或者展览馆、科技馆等大型场所进行展示。通过亲身体验，直观了解与声现象，具有较好的教学效果与社会效益。

Description

一种声音可视化的李萨如图演示装置

技术领域

本发明属于演示物理仪器制作领域，具体涉及一种声音可视化的李萨如图演示装置，其属于相位可调的左右声道激光李萨如图演示装置。

背景技术

声音是由于物体的振动产生的，并通过介质传播出去。但由于空气是无色透明的，因此我们用耳朵无法直观感受到声音的微小变化，以及无法区分声音振动形式的差别。另外，音响发出的声音存在左右声道的差别。单纯靠人耳无法直观感受到。目前，声音可视化都是在绷紧的薄膜上粘一小反射镜，激光照射反射镜，薄膜在声音的驱动下会发生受迫振动，从而通过激光的振动可以反映出声音的振动。虽然这一方法在教学中经常被用到，但都是定性去演示声音的振动，无法定量显示声音的振动。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请人根据多年教学实践经验，提供一种声音可视化的李萨如图演示装置，其能直观显示音响左右声道声音区别以及演示李萨如图形的装置。

依据本发明的技术方案，本发明的声音可视化的李萨如图演示装置包括铝合金支架、1个激光器系统、2个声音共振腔系统、1个音响控制系统、1个白色荧幕，其中铝合金支架用于支撑且作为整体框架，激光器系统用于控制激光的产生，声音共振腔系统用于放大及共振声音，音响控制系统用于将产生的声音放大且被人耳所感知，白色荧幕用于显示声音信号的李萨如图形。

在所述声音可视化的李萨如图演示装置中，铝合金支架由12根铝合金型材组成，其中4根组成长方形，作为底部支架，水平放置；其中4根分别作为纵向支架，竖直放置，2根短支架相邻安装，2根长支架相邻安装；其中3根支架距离底部支架一定距离横向放置，组成U型结构，其中1根支架在前述U型结构上侧，与U型结构底侧支架组成一个横梁。激光器系统包含两个管状激光器及一个激光器控制系统、2个激光器固定架。激光器控制系统固定在左侧支架上，2只管状激光器通过激光器固定架固定到其中2根短支架上，管状激光器作为光源用于发射激光，激光器控制系统用于控制激光器的开关以及激光器的出射激光功率。激光器固定架用于固定管状激光器。声音共振腔系统包含2个音响、2个圆柱形亚力克管、2片高弹性橡胶膜、2个轻质镀银反射镜以及2个固定支架。音响控制系统用于产生声音且与亚克力管一端相连，高弹性橡胶膜与亚克力管另一端相连用橡皮筋固定并绷紧。轻质镀银反射镜粘在高弹性橡胶膜中间。音响控制系统包含1个功率放大器、一套无线麦克风。功率放大器用于将手机、电脑等设备的声音通过功率放大器传送到音响中，无线麦克风用于将人声通过功率放大器传送到音响中。白色荧幕主要用于投射激光图案。

进一步地，2个管状激光器分别为一个波长为532nm的绿色管状激光器，一个波长632nm红色管状激光器。激光器固定架的内侧金属片中有一四分之一圆形镂空缺孔，可以用于调整激光器的倾角。激光器控制器控制两激光器的开关及激光强度。音响为4寸同轴重低音喇叭，功率30W。

优选地，亚克力圆管直径100mm，长度150mm，壁厚3mm。轻质镀银反射镜材质为树脂PC镜，质量轻，反射率高。2个音响喇叭分别接功放的左右声道，由于声音左右声道频率和相位输出不一样，会引起两声音共振系统产生不同的李萨如图。无线麦克风为双话筒输入。白色荧幕为落地式120寸4:3高清投影幕布。

相比较于现有技术，本发明通过激光显示无法看见的声音现象，实现声音的可视化。可以演示声音的振动、音响左右声道振动区别以及李萨如图；本发明允许两人同时操作，增加了互动性与可玩性、趣味性与可操作性，可以在学校教室环境或者展览馆、科技馆等大型场所进行展示。演示内容丰富，互动性强。作为教学仪器具有较好的教学效果，作为科普仪器具有较强的科普性。可以通过亲身体验，直观了解声现象，具有较好的教学效果与社会效益。

附图说明

图1为本发明的声音可视化的李萨如图演示装置的主体结构示意图；

图2为图1中激光器系统正视图；

图3为图1中所使用的声音共振腔系统正视图；

图4为图1中所使用的声音共振腔系统右视图；

图5为声音可视化的李萨如图演示装置在工作时的光路传播示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明仪器中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

图1为本发明的声音可视化的李萨如图演示装置的主体结构示意图，图2为图1中激光器系统正视图；图3为图1中所使用的声音共振腔系统正视图；图4为图1中所使用的声音共振腔系统右视图；图5为声音可视化的李萨如图演示装置在工作时的光路传播示意图。

附图标示具体如下：101为仪器支架，102和103为激光器系统，104为激光器控制系统，105和106为声音共振腔系统，107为、音响控制系统，108为无线麦克风；201为铝合金金属片，上有两个圆形螺孔，一个四分之一圆形轨道孔。202和203为两个固定螺丝，204和205为激光器夹持架，其中204为铝合金金属片，205为圆柱形夹持架，204和205通过焊接相连，206为管状激光器。301为轻质镀银反射镜，302为高弹性橡胶膜，303为圆柱形亚克力管，304为喇叭，305为亚克力固定支架。401亚克力固定支架，402为喇叭固定螺丝，403为喇叭。501为共振腔系统，502为激光器系统，503为白色荧幕。

本发明的声音可视化的李萨如图演示装置包括铝合金支架、1个激光器系统、2个声音共振腔系统、1个音响控制系统、1个白色荧幕，其中铝合金支架用于支撑且作为整体框架，激光器系统用于控制激光的产生，声音共振腔系统用于放大及共振声音，音响控制系统用于将产生的声音放大且被人耳所感知，白色荧幕用于显示声音信号的李萨如图形。

附图标记102和附图标记103为激光器系统，包含两个管状激光器，及一个激光器控制系统、2个激光器固定架。管状激光器分别为波长为532nm的管状绿色激光器，一个波长632nm红色管状激光器，激光器直径为1cm，长度为4cm。激光器固定架由两个薄金属片(附图标记201和204)和一圆管(附图标记205)构成。附图标记201和204通过螺丝固定，附图标记204和205通过焊接固定。其中附图标记201的金属片中有一四分之一圆形镂空，用于调整激光器的倾角。管状激光器放置在圆管中。用图2所示激光器固定架固定到图1所示的铝合金支架上。并连接到图1中的激光器控制系统中。激光器控制系统可以控制两激光器的开关及激光强度。

由于膜在声音振动的驱动下，一方面会出现沿声音方向，即垂直于膜表面的振动，该振动属于受迫振动。另一方面，由于绷紧的膜的横向，即平行于膜表面方向存在张力，因此会发生简谐振动。当两振动的方向互相垂直，并且频率和相位成一定特殊关系时，合成的轨迹会是一条稳定的闭合曲线，即李萨如图。

更详细地，本发明的声音可视化的李萨如图演示装置为相位可调的左右声道激光李萨如图演示装置，其主要由铝合金支架、激光器系统、声音共振腔系统、音响控制系统、白色荧幕。铝合金支架由13根铝合金型材组成，其中4根组成长方形，作为底部支架，水平放置，其中4根分别作为纵向支架，竖直放置，2根短，相邻安装，2根长，相邻安装。其中3根支架距离底部一定距离横向放置，组成U型结构，其中1根支架在前述U型结构上侧，与U型结构底侧支架组成一个横梁。激光器系统包含两个管状激光器，及一个激光器控制系统、2个激光器固定架。激光器控制系统固定在左侧支架上，2只管状激光器通过激光器固定架固定到其中2根短支架上，管状激光用于发射激光作为光源，激光器控制系统用于控制激光器的开关以及激光器的出射激光功率。激光器固定架用于固定管状激光器。声音共振腔系统包含2个音响，2个圆柱形亚力克管，2片高弹性橡胶膜、2个轻质镀银反射镜、以及2个固定支架。音响与音响控制系统用于产生声音，与亚克力管相连，高弹性橡胶膜与亚克力管另一端相连用橡皮筋固定，并绷紧。轻质镀银反射镜粘在高弹性橡胶膜中间。音响控制系统包含1个功率放大器，一套无线麦克风。功率放大器用于将手机、电脑等设备的声音通过功率放大器传送到音响中，无线麦克风用于将人声通过功率放大器传送到音响中。白色荧幕主要用于投射激光图案。

使用本发明的声音可视化的李萨如图演示装置演示声音的可视化：打开其中一路激光，调整激光器角度，使其打到声音共振腔系统中的反射镜上，并反射到荧幕中合适的位置。打开音响控制系统，调整合适的音量，通过无线麦克风说话，观察荧幕上激光点的运动。可以发现激光点在来回移动，并且不同的声音及强度对激光光电的影响不一样。因此，不同的说话者，看到的图案将会不一样。或者将音乐通过音响控制系统播放。同样可以看到激光光点的变化。即实现了声音可视化。

使用本发明的声音可视化的李萨如图演示装置演示李萨如图形：当声音的频率和膜简谐振动的频率比成整数倍时，即可出现李萨如图。根据频率比和相位差的不同，出现不同的闭合曲线。为了出现稳定的李萨如图形，说话者需要说单一音节。

使用本发明的声音可视化的李萨如图演示装置演示左右声道差异化：打开两路激光及音响控制系统。调整激光器角度，使两束激光反射光电在荧幕的同一水平位置。此时，播放立体声音乐。观察荧幕激光光点变化。可以看到随着音乐的播放，两光电振动的轨迹不一致。由此说明，声音的左右声道输出的声音频率和相位不一致。

下面结合附图进一步详细说明，图1附图标记105为声音共振腔系统，包含2个音响(图3附图标记304)，为4寸同轴重低音喇叭，功率30W，通过音频线分别与音响控制系统的左右声道(图1附图标记107)相连。音响通过4个螺丝固定在亚克力支架上(图2附图标记205，图4附图标记401)，亚克力支架尺寸为120mm×140mm×8mm。亚力克支架通过螺丝固定到铝合金支架上。圆柱形亚克力管(图3附图标记303)直径100mm，长度150mm，壁厚3mm。通过胶水粘到亚克力支架的另一侧。高弹性橡胶膜利用橡皮筋固定到亚克力管另一侧。图3附图标记301为轻质镀银反射镜，材质为树脂PC镜，质量轻，反射率高，尺寸为1cm×1cm，利用双面胶固定到橡胶膜上。

图1附图标记107为音响控制系统，包含1个功率放大器和1个无线麦克风。可以实现声音放大、左右声道声音调节、重低音调节、音频输入等功能。音响控制系统通过螺丝固定到图1所示的铝合金支架上。附图标记108无线麦克风可以将声音输入到音响控制系统，从而传入音响。

白色荧幕为落地式120寸4:3高清投影幕布。主要用于投射激光图案。距离仪器4米。

更进一步地，提供一种声音可视化的李萨如图演示装置的使用方法。

使用方法一：声音的可视化。

步骤一：打开其中一路激光，调整激光器角度至10°，使其打到声音共振腔系统中的反射镜上，并反射到荧幕中合适的位置。其光路路线图如图5所示。

步骤二：打开音响控制系统，调整合适的音量，通过无线麦克风说话，观察荧幕上激光点的运动。可以发现激光点在来回移动，并且不同的声音及强度对激光光电的影响不一样。因此，不同的说话者，看到的图案将会不一样。

步骤三：关闭无线麦克风输入，将音乐通过音响控制系统播放。同样可以看到激光光点的变化。即实现了声音可视化。增加了仪器的趣味性、可玩性和互动性。

使用方法二：李萨如图形的演示。

操作步骤同具体实施方式一。当声音的频率和膜简谐振动的频率比成整数倍时，即可出现李萨如图。根据频率比和相位差的不同，出现不同的闭合曲线。为了出现稳定的李萨如图形，说话者需要说单一音节。比如说话者说音节“ā”时，激光轨迹是一套直线，音节为“ō”时，激光轨迹是一椭圆形轨迹。

使用方法三：左右声道差异化显示。

步骤一：打开两路激光及音响控制系统。

步骤二：调整激光器角度，使两束激光反射光电在荧幕的同一水平位置。

步骤三：播放立体声音乐。观察荧幕激光光点变化。可以看到随着音乐的播放，两光电振动的轨迹不一致。由此说明，声音的左右声道输出的声音频率和相位不一致。

本发明能够同时两人参与演示与声音有关的实验，将不可见的声音通过光学现象可视化。具有较强的互动性、趣味性。同时，作为一种科普仪器，极大提高市民对于科学知识的了解。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (6)

1.一种声音可视化的李萨如图演示装置，其特征在于，其包括铝合金支架、1个激光器系统、2个声音共振腔系统、1个音响控制系统、1个白色荧幕，其中铝合金支架用于支撑且作为整体框架，激光器系统用于控制激光的产生，声音共振腔系统用于放大及共振声音，音响控制系统用于将产生的声音放大且被人耳所感知，白色荧幕用于显示声音信号的李萨如图形；

所述声音可视化的李萨如图演示装置为相位可调的左右声道激光李萨如图演示装置，铝合金支架由13根铝合金型材组成，其中4根组成长方形，作为底部支架且水平放置，其中4根分别作为纵向支架且竖直放置，2根短的相邻安装，2根长的相邻安装；其中3根铝合金支架距离底部一定距离横向放置，组成U型结构，其中1根支架在前述U型结构上侧，与U型结构底侧支架组成一个横梁；激光器系统包含两个管状激光器及一个激光器控制系统、2个激光器固定架，激光器控制系统固定在左侧支架上，2只管状激光器通过激光器固定架固定到其中2根短支架上，管状激光用于发射激光作为光源，激光器控制系统用于控制激光器的开关以及激光器的出射激光功率；激光器固定架用于固定管状激光器；声音共振腔系统包含2个音响，2个圆柱形亚力克管，2片高弹性橡胶膜、2个轻质镀银反射镜、以及2个固定支架；音响与音响控制系统用于产生声音，与亚克力管相连，高弹性橡胶膜与亚克力管另一端相连用橡皮筋固定并绷紧，轻质镀银反射镜粘在高弹性橡胶膜中间；音响控制系统包含1个功率放大器，一套无线麦克风；功率放大器用于将手机、电脑设备的声音通过功率放大器传送到音响中，无线麦克风用于将人声通过功率放大器传送到音响中；白色荧幕主要用于投射激光图案。

2.依据权利要求1所述的声音可视化的李萨如图演示装置，其特征在于，2个管状激光器分别为一个波长为532nm的绿色管状激光器，一个波长632nm红色管状激光器。

3.依据权利要求2所述的声音可视化的李萨如图演示装置，其特征在于，激光器固定架的内侧金属片中有一四分之一圆形镂空缺孔，所述镂空缺孔用于调整激光器的倾角；音响为4寸同轴重低音喇叭，功率30W。

4.依据权利要求3所述的声音可视化的李萨如图演示装置，其特征在于，亚克力圆管直径100mm、长度150mm、壁厚3mm。

5.依据权利要求2所述的声音可视化的李萨如图演示装置，其特征在于，轻质镀银反射镜材质为树脂PC镜。

6.依据权利要求1所述的声音可视化的李萨如图演示装置，其特征在于，2个音响喇叭分别接功放的左右声道；无线麦克风为双话筒输入。

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