自動駐波實驗儀的製作方法

2023-05-29 01:14:01

專利名稱：自動駐波實驗儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種物理實驗儀器，尤其指一種物理實驗用的自動駐波實驗儀。
背景技術：
聲速的測量和駐波現象的演示是物理實驗中很重要的兩個實驗項目，其實驗方法 多種多樣。駐波現象的演示常用的實驗方法是用力學機械的方法進行的，其實驗儀器體積 大、操作麻煩；聲速的測量用超聲聲速測量儀法國內各高校最為流行，但實驗時是手動調 節，沒有自動控制、更沒有單片機智能控制，並且都是測量常氣壓條件下的聲速，不能做高 壓或低壓非常態條件下的實驗內容，實驗方法單一。同一個實驗儀器可提供的實驗內容和 實驗方式越多，其儀器的使用價值越高，越符合當今實驗教學改革的要求，同一個實驗項目 的實驗儀器可提供的實驗方法越多，越有利於啟迪和培養學生的創新能力。

發明內容
本發明的目的是提供一種自動駐波實驗儀，它不僅能測量常態氣壓下的聲音駐波 現象的參數和聲速，還可以可靠地測量非常態氣壓下的駐波現象參數和聲速，並且具有可 控自動移動話筒的功能。為了實現上述目的，本發明有一個通過支架固定在底座上的透明圓管，透明圓管 兩端有密封件，在密封件上帶有氣嘴和氣壓表接口，在一個密封件內側固定有揚聲器，揚聲 器與接線柱相連，其特徵是駐波實驗話筒固定在滑塊上，滑塊通過其上的絲扣與螺杆可轉 動式咬合，駐波實驗話筒通過話筒線與話筒信號放大器的輸入端相連，話筒信號放大器的 輸出端與輸出插座相連，驅動電機的轉軸與螺杆的右端通過聯軸器相連接，驅動電機的繞 組與電機驅動器相連。驅動電機可用一個小直流減速電機，其繞組通過正反轉開關與調速電源相連。驅 動電機還可以是一個步進電機，其繞組與步進電機驅動器的輸出接口相連，步進電機驅動 器的輸入接口與單片機的一組IO 口相連，單片機的另一組IO 口與一組按鍵開關相連。為 了保證單一平面反射聲波，形成單一的駐波便於準確實驗測量，透明圓管內有聲反射圓片， 聲反射圓片與透明圓管內壁相互固定。為了保證反覆萬次伸縮不斷線，話筒線由螺旋彈簧 導線組成。為了獲得較強的輸出功率帶動示波器、毫伏表甚至直接帶動喇叭發音，話筒信號 放大器內部帶有功率放大器。由於本發明的透明圓管兩端有密封件，在密封件上帶有氣嘴和氣壓表接口，在一 個密封件內側固定有揚聲器，揚聲器與接線柱相連，駐波實驗話筒固定在滑塊上，滑塊通 過其上的絲扣與螺杆可轉動式咬合，驅動電機的轉軸與螺杆的右端通過聯軸器相連接，驅 動電機的繞組與電機驅動器相連。這就使得本發明既可以方便快速地左右移動駐波實驗話 筒進行粗調，又可以通過調低調速電源的電壓，或通過單片機控制的步進電機，以極慢的轉 速進行駐波實驗話筒位置的精確細調，還可以通過單片機實現智能顯示及智能控制，改善 了實驗條件和精度。這還帶來一個優點，就是這種結構使得可動部件全在透明圓管的內部，防漏氣功能很好，為高氣壓或低氣壓條件下的駐波實驗提供了可靠的保證。


圖1是本發明第一個實施例的結構原理圖。圖2為本發明第二個實施例的結構原理圖。圖3為本發明第三個實施例的結構原理圖。
具體實施例方式本發明第一個實施例參見圖1。在圖1中，底座2的支撐腳1有四個，起穩定底座 2的作用，其中有一個是可調節高度的，底座2為一個長方形的盒子，調速電源24、話筒信 號放大器20、電源變壓器B和話筒信號放大器20的穩壓供電電路等置於其中，因而底座2 可作為機箱使用。調速電源的24的電壓調節電位器25、電源開關K、保險絲BX、話筒信號 放大器20的音量調節電位器26和輸出接口 19等可安裝在底座2的側面作為儀器操作面 板。支架3固定在底座2上，用硬質塑料或玻璃做的透明圓管18固定在支架3 (左右各一 個)上，透明圓管18的固定方式可用粘接的方式，也可增加金屬環帶圈住透明圓管18，再 把金屬環帶固定在支架3上的方式等固定結構。左密封件15和右密封件6總稱密封件，都 應該和透明圓管18的兩端牢固不透氣的粘接。右密封件6還起到聲反射體的作用。駐波 實驗話筒12固定在滑塊10的下端，並通過螺旋彈簧導線8 (即話筒線)與話筒信號放大器 20的輸入端相連。滑塊10的上表面應做成曲率半徑略小於透明圓管18的圓弧面並靠近透 明圓管18的內壁，滑塊10的孔就是與帶有絲扣的螺杆7的配套螺母，這樣就可保證螺杆7 轉動時滑塊10左右移動而不至於也跟著螺杆7轉動。透明圓管18右端固定一個驅動電機 21，它可以用每分鐘50-200轉的直流減速小型電機(製造機器人用的那類超小直流減速電 機就行)，以便於配合通過正反轉開關KD與其相連的調速電源24進行大幅度調速。驅動 電機21的轉軸與螺杆7的右端通過聯軸器22連接，聯軸器22為一個金屬圓套筒，分別將 驅動電機21的轉軸及螺杆7的右端插入其中，再從聯軸器22的兩端徑向擰上小螺絲即可 使驅動電機21的轉軸與螺杆7 —起轉動，且允許驅動電機21的轉軸與螺杆7之間的徑向 有活動餘地。螺杆7的左端插入軸承16中，軸承16則固定在左密封件15的內壁上，螺杆 7的左端可不必露出左密封件15，且整個透明圓管18及兩端也無轉動部件探出來，所以，透 明圓管18內外防漏氣很容易得到保證，便於進行高氣壓或低氣壓下的駐波實驗。調速電源 24可用寬範圍可調穩壓電源(比如用變壓器B的17V繞組配合橋式整流器和可調三端穩 壓集成電路LM317和典型外圍件組裝的電路結構)。當正反轉開關KD撥向右側為驅動電機 21正轉、撥向左側為反轉、撥向中間位置為停轉。調節調速電源24的電壓調節電位器25， 可大範圍地改變轉速，以方便快調(高轉速對應高電壓)和細調(低轉速對應低電壓)驅 動電機21的轉速。為了便於監視調速電源24的電壓，可以在調速電源24的輸出端並聯一 個機械或數字電壓表(也可以不加該表)安裝到儀表箱27內，儀表箱27與底座2相互固 定在一起。本實施例的正反轉開關KD用雙刀雙擲帶中間斷開位置的小撥動開關並接成換 向開關的方式。為了保證單一平面反射聲波，形成單一的駐波便於準確實驗測量，驅動電機 21表面應帶一層吸聲材料，以防止其對聲波的反射影響實驗結果，或者乾脆在驅動電機21 的左端再安裝一個聲反射圓片23，聲反射圓片23的外徑與透明圓管18的內徑相同，並把兩者機械固定(可用粘接的方式)在一起，驅動電機21的轉軸穿過其面。螺旋彈簧導線8可用兩條多股漆包線(即收音機磁棒線圈用的那種線材)擰成一 股再繞成細彈簧狀製成，這樣就可以允許反覆自由伸縮(伸縮幾萬次也不至於斷線)且很 柔軟，並允許滑塊10在透明圓管18內全程移動。螺旋彈簧導線8既可以按1圖所示方式 裝配，也可將其套在(螺杆7穿過螺旋彈簧導線8形成的線圈的中心)螺杆7上。為了減 小移動時的機械噪音進入話筒信號放大器20，可在其輸入端設置高通濾波器。話筒信號放 大器20自身帶功率放大器，其輸出端接輸出插座19，輸出插座19為雙芯的(可用普通音視 頻插座)，可用音視頻蓮花插頭引出兩條線去連接示波器探頭或交流毫伏表探頭。話筒信號 放大器20的電路結構可採用兩級阻容耦合負反饋放大電路後面再加小功率集成功放電路 構成，它應帶有音量調節電位器26，其工作穩壓電源的交流供電部分取自電源變壓器B的 另一個繞組(15V)，然後再經過橋式整流、濾波、穩壓而得到+12V的話筒信號放大器工作電 源。這樣，就可以獲得較強的輸出功率帶動示波器、毫伏表甚至直接帶動喇叭發音，話筒信 號放大器內部帶有功率放大器，當沒有示波器或毫伏表時，可直接用喇叭放音來感知聲音 的強弱。透明圓管18可以用直徑40-50毫米、厚度3-5毫米的玻璃或耐熱硬質透明塑料 (比如有機玻璃)製作。為了方便讀取數據，還應在透明圓管18上刻上尺寸刻度，或固定 上米尺。高音喇叭13很小，可直接粘在揚聲器14的紙盆中央，也可在揚聲器14前面固定 一個金屬網面板，把高音喇叭13固定其上，以提高高頻響應。駐波實驗話筒12選用駐極體 小電容話筒。聲反射圓片23要用與透明圓管18相同的材料，以便於粘接。氣壓表接口 5和氣嘴4安裝在左密封件15或右密封件6上，氣嘴4用自行車或 摩託車用的那種結構的，這樣用普通打氣筒就可給透明圓管內打氣升壓且取下打氣筒自封 閉，氣壓表接口 5要用如圖所示帶倒刺的管接口，以適合膠皮軟管插接不自掉。本實施例的工作過程是這樣的揚聲器14通過導線與接線柱17連接，同時接線柱 17還與外配的信號發生器的輸出端相連，輸出插座19接外配的示波器或交流毫伏表。把外 配的信號發生器的頻率和電壓調到大小合適(並結合調節音量調節電位器26，以話筒信號 放大器不失真為準)的幅度。當電源開關K接通時，揚聲器14和13發出聲音信號並在透 明圓管18內自左至右傳播即入射波，到達聲反射圓片23 (或右密封件6)後又被反射回去 形成反射波，入射波和反射波在透明圓管18內的該區間形成駐波。按物理學原理，該駐波 的相鄰波腹之間(或相鄰波節之間)的距離d就等於聲波波長\的一半，而波腹的位置處 的聲音最強(波節對應聲音最小)位置，可通過把正反轉開關KD撥向右側或左側，電動控 制駐波實驗話筒12左右移動來尋找駐波的波腹(或波節)，可使其正好處在聲音駐波的波 腹的位置，它接收後送入話筒信號放大器20進行音頻放大，並帶動示波器或毫伏表顯示聲 波的相對強度，從而很容易判斷相鄰波腹(或波節)的具體位置和距離d。測出聲音波長 入後，聲速V= X Xf = 2dXf，其中f為聲音的頻率，可直接從外配的信號發生器上讀出。 由於定量測量聲速時，要的是兩個波腹(或波節)之間的距離d(是個位置差)，所以顯示波 腹位置的指針9可以不在駐波實驗話筒12的位置，所以其形狀和位置是任意的。如果要測不同氣壓下的聲速或波長，可通過軟管接上氣壓表，用普通打氣筒給透 明圓管18內打氣，省去了用氣泵的麻煩。如果氣嘴4是摩託車輪胎氣嘴結構的，還可以抽 氣，可測低氣壓下的駐波參數或聲速。
本發明的第二個實施例參見圖2。如果用電腦28配合流行的虛擬儀器軟體作為信 號發生器和示波器，則話筒信號放大器20可不接，直接將駐波實驗話筒12通過話筒信號輸 出插孔29接到電腦28的麥克風輸入插口 MIC、電腦的線路輸出LINE OUT插孔通過接線柱 17接揚聲器14即可，因電腦裡面已經有話筒信號放大器了以及虛擬信號發生器了。普通 電腦安裝現有技術中已有的虛擬儀器軟體V0. 94或其他相應流行軟體即可，電腦28在工作 時，可同時輸出音頻電信號並同時具有示波器的功能，也就是說用電腦28的音效卡代替了信 號發生器和示波器的功能，其線路輸出插孔LINE OUT相當於信號發生器輸出端，話筒輸入 插孔MIC相當於示波器輸入端。此情況下要在駐波實驗話筒12與話筒信號放大器20之間 的話筒線中間並聯一個話筒信號輸出插孔29。本發明的第三個實施例參見圖3。與前面兩個實施例的區別在於調速電源24改 成輸出電壓不可調的(比如輸出+12V直流穩壓電)，驅動電機21由小直流減速電機換成了 步進電機(比如用常用的5線4相步進電機)，驅動電機21與步進電機驅動器30 (比如用 市面流行的基於L297或L298控制的步進電機驅動器)的輸出接口相連。單片機控制電路 31的四個10 口(比如PL 0、P1. 1、P1. 2、P1. 3埠)接步進電機驅動器30的輸入端；單片 機控制電路31的另外四個10 口(比如P2. 0、P2. 1、P2. 2、P2. 3埠)分別接正轉按鍵開 關KZ、反轉按鍵開關KF、加速按鍵開關K+、減速按鍵開關K-。當按下某個按鍵開關，就執行 該程序。設置單片機的P1. 3接口的輸出脈衝頻率在1-1KHZ之間，則對應步進電機低速及 高速轉動。單片機控制電路31可用AT89S52等單片機晶片和典型外圍電路構成。步進電機驅動器30和單片機控制電路31的直流穩壓供電電源輸入端都接在調速 電源24上，單片機控制電路31的直流穩壓供電電源輸入端也可接到話筒信號放大器20的 穩壓電源上。這就構成了另一種形式的話筒驅動機構，比前者具有控制精確、調速比更大、 可用單片機上的數碼管顯示轉速、可增加其他各種智能控制程序(甚至直接用數碼管顯示 話筒移動的精確位置和自動尋找波腹或波節等)等優點，缺點是成本明顯提高。在第三個實施例中，原來安裝到儀表箱27內的電壓表可去掉，改成把單片機控制 電路31的數碼管顯示屏以及液晶顯示屏裝入儀表箱27內。本發明把第一、二個實施例上的調速電源24與正反轉開關KD的電路組合或者第 三個實施例上的步進電機驅動器30、單片機控制電路31、正轉按鍵開關KZ、反轉按鍵開關 KF、加速按鍵開關K+、減速按鍵開關K-構成的電路組合總稱電機驅動器。
權利要求
1.一種自動駐波實驗儀，有一個通過支架固定在底座上的透明圓管，透明圓管兩端有 密封件，在密封件上帶有氣嘴和氣壓表接口，在一個密封件內側固定有揚聲器，揚聲器與接 線柱相連，其特徵是駐波實驗話筒固定在滑塊上，滑塊通過其上的絲扣與螺杆可轉動式咬 合，駐波實驗話筒通過話筒線與話筒信號放大器的輸入端相連，話筒信號放大器的輸出端 與輸出插座相連，驅動電機的轉軸與螺杆的右端通過聯軸器相連接，驅動電機的繞組與電 機驅動器相連。
2.按權利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特徵是驅動電機是一個小直流減速電機， 其繞組通過正反轉開關與調速電源相連。
3.按權利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特徵是驅動電機是一個步進電機，其繞組 與步進電機驅動器的輸出接口相連，步進電機驅動器的輸入接口與單片機的一組IO 口相 連，單片機的另一組IO 口與一組按鍵開關相連。
4.按權利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特徵是透明圓管內有聲反射圓片，聲反射 圓片與透明圓管內壁相互固定。
5.按權利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特徵是話筒線由螺旋彈簧導線組成。
6.按權利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特徵是話筒信號放大器內部帶有功率放大
全文摘要
本發明公開了一種自動駐波實驗儀。它在透明圓管內的一端安裝揚聲器，揚聲器與外配的音頻信號發生器相連，另一端可反射聲波，從而形成駐波。透明圓管內有一套驅動電機帶動的話筒驅動裝置，駐波實驗話筒與話筒信號放大器相連，話筒信號放大器與輸出插座相連，通過控制正反轉開關或單片機鍵盤來驅動電機來改變話筒的位置，可快速、精確地找到駐波的波節或波腹位置，從而測量不同氣壓下聲音駐波的參數或聲速。它克服了現有聲速測量儀沒有自動調節和智能調節及智能讀數功能，也不能做聲速與氣壓關係的實驗內容的缺陷。它可用於高校的聲速測量實驗或演示物理實驗。
文檔編號G09B23/14GK102005148SQ201010291379
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月21日 優先權日2010年9月21日
發明者趙傑 申請人:德州學院