專利名稱：自動駐波實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
自動駐波實驗儀技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型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(shù)：
[0002]聲速的測量和駐波現(xiàn)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(xiàn)象的演示常用的實驗方法是用力學(xué)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(nèi)各高校最為流行，但實驗時 是手動調(diào)節(jié)，沒有自動控制、更沒有單片機智能控制，并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(tài)條件下的實驗內(nèi)容，實驗方法單一。同一個實驗儀器可提 供的實驗內(nèi)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(xué)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，越有利于啟迪和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng) 新能力。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實用新型的目的是提供一種自動駐波實驗儀，它不僅能測量常態(tài)氣壓下的聲 音駐波現(xiàn)象的參數(shù)和聲速，還可以可靠地測量非常態(tài)氣壓下的駐波現(xiàn)象參數(shù)和聲速，并 且具有可控自動移動話筒的功能。[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型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(nèi)側(cè)固定有揚 聲器，揚聲器與接線柱相連，其特征是駐波實驗話筒固定在滑塊上，滑塊通過其上的絲 扣與螺桿可轉(zhuǎn)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(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸與螺桿的右端通過聯(lián)軸器相連 接，驅(qū)動電機的繞組與電機驅(qū)動器相連。[0005]驅(qū)動電機可用一個小直流減速電機，其繞組通過正反轉(zhuǎn)開關(guān)與調(diào)速電源相連。 驅(qū)動電機還可以是一個步進電機，其繞組與步進電機驅(qū)動器的輸出接口相連，步進電機 驅(qū)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(guān)相 連。為了保證單一平面反射聲波，形成單一的駐波便于準確實驗測量，透明圓管內(nèi)有聲 反射圓片，聲反射圓片與透明圓管內(nèi)壁相互固定。為了保證反復(fù)萬次伸縮不斷線，話筒 線由螺旋彈簧導(dǎo)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(fā)音，話筒信號放大器內(nèi)部帶有功率放大器。[0006]由于本實用新型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(nèi)側(cè)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桿可轉(zhuǎn)動式咬合，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸與螺桿的右端通過聯(lián)軸 器相連接，驅(qū)動電機的繞組與電機驅(qū)動器相連。這就使得本實用新型既可以方便快速地 左右移動駐波實驗話筒進行粗調(diào)，又可以通過調(diào)低調(diào)速電源的電壓，或通過單片機控制的步進電機，以極慢的轉(zhuǎn)速進行駐波實驗話筒位置的精確細調(diào)，還可以通過單片機實現(xiàn) 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(yōu)點，就是這種結(jié)構(gòu)使得 可動部件全在透明圓管的內(nèi)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。
[0007]圖1是本實用新型第一個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。[0008]圖2為本實用新型第二個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。[0009]圖3為本實用新型第三個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施方式
[0010]本實用新型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(wěn)定底座2的作用，其中有一個是可調(diào)節(jié)高度的，底座2為一個長方形的盒子，調(diào)速電 源M、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(wěn)壓供電電路等置于其 中，因而底座2可作為機箱使用。調(diào)速電源的M的電壓調(diào)節(jié)電位器25、電源開關(guān)K、保 險絲BX、話筒信號放大器20的音量調(diào)節(jié)電位器沈和輸出接口 19等可安裝在底座2的側(cè) 面作為儀器操作面板。支架3固定在底座2上，用硬質(zhì)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(huán)帶 圈住透明圓管18，再把金屬環(huán)帶固定在支架3上的方式等固定結(jié)構(gòu)。左密封件15和右密 封件6總稱密封件，都應(yīng)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，并通過螺旋彈簧導(dǎo)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(yīng)做成曲率半徑略小于透 明圓管18的圓弧面并靠近透明圓管18的內(nèi)壁，滑塊10的孔就是與帶有絲扣的螺桿7的 配套螺母，這樣就可保證螺桿7轉(zhuǎn)動時滑塊10左右移動而不至于也跟著螺桿7轉(zhuǎn)動。透 明圓管18右端固定一個驅(qū)動電機21，它可以用每分鐘50-200轉(zhuǎn)的直流減速小型電機(制 造機器人用的那類超小直流減速電機就行)，以便于配合通過正反轉(zhuǎn)開關(guān)KD與其相連的 調(diào)速電源M進行大幅度調(diào)速。驅(qū)動電機21的轉(zhuǎn)軸與螺桿7的右端通過聯(lián)軸器22連接， 聯(lián)軸器22為一個金屬圓套筒，分別將驅(qū)動電機21的轉(zhuǎn)軸及螺桿7的右端插入其中，再從 聯(lián)軸器22的兩端徑向擰上小螺絲即可使驅(qū)動電機21的轉(zhuǎn)軸與螺桿7 —起轉(zhuǎn)動，且允許驅(qū) 動電機21的轉(zhuǎn)軸與螺桿7之間的徑向有活動余地。螺桿7的左端插入軸承16中，軸承 16則固定在左密封件15的內(nèi)壁上，螺桿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(zhuǎn)動部件探出來，所以，透明圓管18內(nèi)外防漏氣很容易得到保證，便于 進行高氣壓或低氣壓下的駐波實驗。調(diào)速電源M可用寬范圍可調(diào)穩(wěn)壓電源(比如用變 壓器B的17V繞組配合橋式整流器和可調(diào)三端穩(wěn)壓集成電路LM317和典型外圍件組裝的 電路結(jié)構(gòu))。當正反轉(zhuǎn)開關(guān)KD撥向右側(cè)為驅(qū)動電機21正轉(zhuǎn)、撥向左側(cè)為反轉(zhuǎn)、撥向中 間位置為停轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)調(diào)速電源M的電壓調(diào)節(jié)電位器25，可大范圍地改變轉(zhuǎn)速，以方便快 調(diào)(高轉(zhuǎn)速對應(yīng)高電壓)和細調(diào)(低轉(zhuǎn)速對應(yīng)低電壓)驅(qū)動電機21的轉(zhuǎn)速。為了便于監(jiān) 視調(diào)速電源M的電壓，可以在調(diào)速電源M的輸出端并聯(lián)一個機械或數(shù)字電壓表(也可以 不加該表)安裝到儀表箱27內(nèi)，儀表箱27與底座2相互固定在一起。本實施例的正反轉(zhuǎn)開關(guān)KD用雙刀雙擲帶中間斷開位置的小撥動開關(guān)并接成換向開關(guān)的方式。為了保證 單一平面反射聲波，形成單一的駐波便于準確實驗測量，驅(qū)動電機21表面應(yīng)帶一層吸聲 材料，以防止其對聲波的反射影響實驗結(jié)果，或者干脆在驅(qū)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(nèi)徑相同，并把兩者機械固定(可 用粘接的方式)在一起，驅(qū)動電機21的轉(zhuǎn)軸穿過其面。[0011]螺旋彈簧導(dǎo)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 股再繞成細彈簧狀制成，這樣就可以允許反復(fù)自由伸縮(伸縮幾萬次也不至于斷線)且很 柔軟，并允許滑塊10在透明圓管18內(nèi)全程移動。螺旋彈簧導(dǎo)線8既可以按1圖所示方 式裝配，也可將其套在(螺桿7穿過螺旋彈簧導(dǎo)線8形成的線圈的中心)螺桿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(shè)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(jié)構(gòu)可采用兩級阻容耦合負反饋放大電路后面再加小功率 集成功放電路構(gòu)成，它應(yīng)帶有音量調(diào)節(jié)電位器26，其工作穩(wěn)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)，然后再經(jīng)過橋式整流、濾波、穩(wěn)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(fā)音，話筒信號放大器內(nèi)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。[0012]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(zhì)透明塑料 (比如有機玻璃)制作。為了方便讀取數(shù)據(jù)，還應(yīng)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(wǎng)面板，把高音喇叭13固定其上，以提高高頻響應(yīng)。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，以便于粘接。[0013]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 摩托車用的那種結(jié)構(gòu)的，這樣用普通打氣筒就可給透明圓管內(nèi)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。[0014]本實施例的工作過程是這樣的揚聲器14通過導(dǎo)線與接線柱17連接，同時接線 柱17還與外配的信號發(fā)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(fā)生器的頻率和電壓調(diào)到大小合適(并結(jié)合調(diào)節(jié)音量調(diào)節(jié)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(guān)K接通時，揚聲器14和13發(fā)出聲音信 號并在透明圓管18內(nèi)自左至右傳播即入射波，到達聲反射圓片23 (或右密封件6)后又被 反射回去形成反射波，入射波和反射波在透明圓管18內(nèi)的該區(qū)間形成駐波。按物理學(xué)原 理，該駐波的相鄰波腹之間(或相鄰波節(jié)之間)的距離d就等于聲波波長λ的一半，而 波腹的位置處的聲音最強(波節(jié)對應(yīng)聲音最小)位置，可通過把正反轉(zhuǎn)開關(guān)KD撥向右側(cè) 或左側(cè)，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(jié))，可使其正好 處在聲音駐波的波腹的位置，它接收后送入話筒信號放大器20進行音頻放大，并帶動示 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(jié))的具體位置和距 離d。測出聲音波長λ后，聲速ν= λ Xf=2dXf，其中f為聲音的頻率，可直接從外 配的信號發(fā)生器上讀出。由于定量測量聲速時，要的是兩個波腹(或波節(jié))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。[0015]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(nèi)打氣，省去了用氣泵的麻煩。如果氣嘴4是摩托車輪胎氣嘴結(jié)構(gòu)的，還可 以抽氣，可測低氣壓下的駐波參數(shù)或聲速。[0016]本實用新型第二個實施例參見圖2。如果用電腦觀配合流行的虛擬儀器軟件作 為信號發(fā)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 信號輸出插孔四接到電腦28的麥克風(fēng)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，因電腦里面已經(jīng)有話筒信號放大器了以及虛擬信號發(fā)生器 了。普通電腦安裝現(xiàn)有技術(shù)中已有的虛擬儀器軟件V0.94或其他相應(yīng)流行軟件即可，電 腦觀在工作時，可同時輸出音頻電信號并同時具有示波器的功能，也就是說用電腦觀的 聲卡代替了信號發(fā)生器和示波器的功能，其線路輸出插孔LINE OUT相當于信號發(fā)生器 輸出端，話筒輸入插孔MIC相當于示波器輸入端。此情況下要在駐波實驗話筒12與話 筒信號放大器20之間的話筒線中間并聯(lián)一個話筒信號輸出插孔四。[0017]本實用新型第三個實施例參見圖3。與前面兩個實施例的區(qū)別在于調(diào)速電源 M改成輸出電壓不可調(diào)的(比如輸出+12V直流穩(wěn)壓電)，驅(qū)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(qū)動電機21與步進電機驅(qū)動器 30(比如用市面流行的基于L297或L298控制的步進電機驅(qū)動器)的輸出接口相連。單 片機控制電路31的四個IO 口(比如P1.0、Pl.1、P1.2、P1.3端口)接步進電機驅(qū)動器30 的輸入端；單片機控制電路31的另外四個IO 口(比如P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端口)分 別接正轉(zhuǎn)按鍵開關(guān)KZ、反轉(zhuǎn)按鍵開關(guān)KF、加速按鍵開關(guān)K+、減速按鍵開關(guān)K-。當按 下某個按鍵開關(guān)，就執(zhí)行該程序。設(shè)置單片機的P1.3接口的輸出脈沖頻率在I-IKHZi 間，則對應(yīng)步進電機低速及高速轉(zhuǎn)動。單片機控制電路31可用AT89S52等單片機芯片和 典型外圍電路構(gòu)成。[0018]步進電機驅(qū)動器30和單片機控制電路31的直流穩(wěn)壓供電電源輸入端都接在調(diào) 速電源對上，單片機控制電路31的直流穩(wěn)壓供電電源輸入端也可接到話筒信號放大器 20的穩(wěn)壓電源上。這就構(gòu)成了另一種形式的話筒驅(qū)動機構(gòu)，比前者具有控制精確、調(diào)速 比更大、可用單片機上的數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速、可增加其他各種智能控制程序(甚至直接用 數(shù)碼管顯示話筒移動的精確位置和自動尋找波腹或波節(jié)等)等優(yōu)點，缺點是成本明顯提 尚ο[0019]在第三個實施例中，原來安裝到儀表箱27內(nèi)的電壓表可去掉，改成把單片機控 制電路31的數(shù)碼管顯示屏以及液晶顯示屏裝入儀表箱27內(nèi)。[0020]本實用新型把第一、二個實施例上的調(diào)速電源M與正反轉(zhuǎn)開關(guān)KD的電路組合 或者第三個實施例上的步進電機驅(qū)動器30、單片機控制電路31、正轉(zhuǎn)按鍵開關(guān)KZ、反轉(zhuǎn) 按鍵開關(guān)KF、加速按鍵開關(guān)K+、減速按鍵開關(guān)K-構(gòu)成的電路組合總稱電機驅(qū)動器。
權(quán)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(nèi)側(cè)固定有揚聲器，揚聲 器與接線柱相連，其特征是駐波實驗話筒固定在滑塊上，滑塊通過其上的絲扣與螺桿可 轉(zhuǎn)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(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸與螺桿的右端通過聯(lián)軸器相連接，驅(qū)動電 機的繞組與電機驅(qū)動器相連。
2.按權(quán)利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特征是驅(qū)動電機是一個小直流減速電機， 其繞組通過正反轉(zhuǎn)開關(guān)與調(diào)速電源相連。
3.按權(quán)利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特征是驅(qū)動電機是一個步進電機，其繞組 與步進電機驅(qū)動器的輸出接口相連，步進電機驅(qū)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(guān)相連。
4.按權(quán)利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特征是透明圓管內(nèi)有聲反射圓片，聲反射 圓片與透明圓管內(nèi)壁相互固定。
5.按權(quán)利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特征是話筒線由螺旋彈簧導(dǎo)線組成。
6.按權(quán)利要求1所述的自動駐波實驗儀，其特征是話筒信號放大器內(nèi)部帶有功率放大ο
專利摘要本實用新型公開了一種自動駐波實驗儀。它在透明圓管內(nèi)的一端安裝揚聲器，揚聲器與外配的音頻信號發(fā)生器相連，另一端可反射聲波，從而形成駐波。透明圓管內(nèi)有一套驅(qū)動電機帶動的的話筒驅(qū)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(zhuǎn)開關(guān)或單片機鍵盤來驅(qū)動電機來改變話筒的位置，可快速、精確地找到駐波的波節(jié)或波腹位置，從而測量不同氣壓下聲音駐波的參數(shù)或聲速。它克服了現(xiàn)有聲速測量儀沒有自動調(diào)節(jié)和智能調(diào)節(jié)及智能讀數(shù)功能，也不能做聲速與氣壓關(guān)系的實驗內(nèi)容的缺陷。它可用于高校的聲速測量實驗或演示物理實驗。
文檔編號G09B23/14GK201812412SQ20102054152
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者趙杰 申請人:德州學(xué)院