專利名稱：聲音特性綜合實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理實驗儀器，尤其指一種物理實驗用的聲音特性綜合實驗儀。
背景技術(shù)：
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，但實驗時還得配備示 波器、信號源或電腦虛擬儀器等各種儀器，實驗成本高，占用面積大，并且從原理和實驗現(xiàn) 象上來講不直觀，趣味性低，并且都是測量常壓常溫條件下的聲速，不能做其他實驗內(nèi)容， 實驗方法單一。同一個實驗儀器可提供的實驗項目或?qū)嶒瀮?nèi)容越多，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， 越有利于啟迪和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種一體化結(jié)構(gòu)、使用方便、一機多用、直觀形象、高性價比 的聲音特性綜合實驗儀，它不僅能測量常態(tài)下的聲音特性，還可以測量非常態(tài)下的聲音特 性，并且不用其他儀器就可完成基本實驗內(nèi)容。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明包含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，在一個密封件內(nèi)側(cè)固定有揚聲器，透明圓管內(nèi)有一套可移動的話筒組合 裝置，透明圓管內(nèi)帶有電加熱器，電加熱器與供電電源并聯(lián)，溫度計的溫度傳感頭安裝在透 明圓管內(nèi)，揚聲器與主機內(nèi)的音頻信號發(fā)生器的輸出端相連，雙路穩(wěn)壓電源的+12V輸出端 與音頻信號發(fā)生器以及話筒信號放大器的電源輸入端相連，雙路穩(wěn)壓電源的+5V輸出端與 數(shù)字頻率表以及音頻電壓表的電源輸入端相連，話筒信號放大器的輸入端與話筒轉(zhuǎn)換開關(guān) 的中心接點相連，駐波實驗話筒與話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)的一個接點相連，環(huán)境聲場話筒與話筒轉(zhuǎn) 換開關(guān)的另一個接點相連，數(shù)字頻率表的輸入端以及音頻電壓表的輸入端與話筒信號放大 器的輸出端相連。數(shù)字頻率表的輸入端與頻率顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)的中心接點相連，音頻電壓表的輸入端 與音頻電壓顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)的中心接點相連，頻率顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)和音頻電壓顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)聯(lián) 動。電加熱器與供電電源之間還串聯(lián)有自動溫度開關(guān)，自動溫度開關(guān)安裝在透明圓管內(nèi)。話 筒信號放大器的輸出端通過開關(guān)與喇叭相連。主機內(nèi)的各部分安裝在底座內(nèi)，各控制旋鈕 以及控制開關(guān)和輸出插座安裝在底座的側(cè)面，各儀表安裝在儀表箱上。由于本發(fā)明自帶有音頻信號發(fā)生器、數(shù)字頻率表，不必另配信號源就可做實驗；自 帶的話筒信號放大器和音頻電壓表，可測出并數(shù)字顯示聲強的高低，省去了外接示波器的 麻煩，上述兩點使得儀器或?qū)嶒灣杀敬蠓冉档?。一體化的整體結(jié)構(gòu)，帶來了使用方便、可 靠性高的優(yōu)點。音頻電壓顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)和頻率顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)的連接方式，使之既可作為聲 音特性實驗用、又可作為信號源用于其它實驗項目，一機多用。話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)的接入，使之既可做傳統(tǒng)的駐波和聲音波長或聲速的實驗內(nèi)容，又可測量環(huán)境聲音的頻率和相對強度， 如配合示波器，還可測量不同聲音的波形，做“看得見的聲音”的演示物理實驗項目，實驗的 趣味性顯著增強。開關(guān)和喇叭串聯(lián)后與話筒信號放大器輸出端相連，可播放透明圓管內(nèi)的 駐波聲音，配合音頻電壓表，聲光同步顯示，大大加深了實驗者的印象。透明圓管內(nèi)的電加 熱器和配套供電電源的接入，可以做非常溫下的聲音特性研究，擴展了實驗方法。本發(fā)明 一體化、低成本且以夠用好用為設(shè)計原則，使之具有很高的性價比，很符合當今的“低碳”原 則。


圖1是本發(fā)明的第1個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是本發(fā)明的第2個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。圖3是本發(fā)明的第3個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4是本發(fā)明的第4個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式圖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，主機22的各部分電路置于其中，底座2作為機箱使用， 主機22內(nèi)的各個控制旋鈕(控制電位器)以及控制開關(guān)和輸出插座安裝在底座2的側(cè)面 作為儀器操作面板。儀表箱21與底座2固定在一起，音頻電壓表25、數(shù)字頻率表27、數(shù)字 溫度表23就安裝在儀表箱21上，便于觀察讀數(shù)。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 彈簧導線8和話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)Kh與話筒信號放大器26的輸入端相連。軌道鋼絲7穿過滑塊 10并且固定在左右密封件上(也可固定在透明圓管18的兩端)，其中一端應(yīng)帶有可調(diào)節(jié)軌 道鋼絲7松緊度的調(diào)節(jié)螺絲。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，為減小透明圓管18內(nèi)壁與滑塊10上表面之間的摩擦力，可 在其上表面增加非磁性滾輪或非磁性不銹鋼鋼珠?；瑝K10可用磁鋼制作(或鐵材料)，可 由實驗者手拿著的吸塊11則用鐵材料(或磁鋼)制作，滑塊10和吸塊11也可都用磁鋼制 作，磁力更強。吸塊11下表面是與透明圓管18曲面吻合的圓弧面，這樣就可使滑塊10與 吸塊11產(chǎn)生強磁力，移動吸塊11就可帶動滑塊10左右移動。把鐵材料及磁鋼等相互磁力 吸引的材料統(tǒng)稱磁性材料。螺旋彈簧導線8可用兩根多股漆包線(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自由伸縮(伸縮上萬次也 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。為了防止移動時的機 械噪音進入話筒信號放大器26，可在其輸入端設(shè)置高通濾波器。話筒信號放大器26自身 帶功率放大器，其輸出端接輸出插座30和開關(guān)Ky與喇叭Y串聯(lián)構(gòu)成的放聲電路，輸出插座 30為雙芯的(可用普通音視頻插座)，可用音視頻蓮花插頭連接示波器以觀察各種不同聲 音的波形。開關(guān)Ky斷開時喇叭Y不響，以保證實驗者可自由選擇輸出方式。
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雙路穩(wěn)壓電源28的+12V端子接音頻信號發(fā)生器24以及話筒信號放大器26的電 源輸入端。雙路穩(wěn)壓電源28的+5V端子接音頻電壓表25和數(shù)字頻率表27的電源輸入端， 雙路穩(wěn)壓電源28的兩組穩(wěn)壓電路應(yīng)取自同一個變壓器的兩個獨立的次級繞組，以保證音 頻電壓表25和數(shù)字頻率表27的正常工作。電加熱可調(diào)穩(wěn)壓電源29的輸出端接電加熱器 19，電加熱器19與自動溫度開關(guān)BT串聯(lián)后再接地。數(shù)字溫度表23的溫度傳感頭16插入透明圓管18內(nèi)的任何一個區(qū)域均可，其工作 電源可用電池。音頻信號發(fā)生器24的輸出端接揚聲器14 (可再并聯(lián)一個高音喇叭13，以提 高高頻響應(yīng)，因在1. 5萬赫茲以上，人已經(jīng)基本聽不到，也可認為是準超聲波)、音頻電壓顯 示轉(zhuǎn)換開關(guān)Kv的右接點以及頻率顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)Kf的右接點還接信號源輸出接線端子17。 話筒信號放大器26的輸入端接話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)Kh的中心接點，話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)Kh的上接點接 駐波實驗話筒12，下接點接環(huán)境聲場話筒20。音頻電壓顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)Kv的中心接點接音 頻電壓表25的輸入端，其左接點接音頻信號發(fā)生器24的輸出端，右接點接話筒信號放大器 26的輸出端。頻率顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)Kf的中心接點接數(shù)字頻率表27的輸入端，其左接點接音 頻信號發(fā)生器24的輸出端，右接點接話筒信號放大器26的輸出端。本實施例的各組成部分說明如下音頻信號發(fā)生器24的前端部分可選用經(jīng)典的文氏橋正弦振蕩器制作，這可參考 專利申請?zhí)?00910231005. 4，公開號CN101710461A的專利申請文件中的文氏橋正弦振 蕩器電路，其中文氏橋的兩個選頻電阻要改用阻值50K的雙聯(lián)電位器代替，文氏橋的兩個 選頻電容要改用3300P的滌綸電容，大環(huán)路負反饋電阻也要改為阻值5K的，并且在大環(huán)路 負反饋電阻上再串聯(lián)一個開關(guān)，當該開關(guān)斷開時為方波輸出，以擴展信號源的輸出類型，有 利于作為信號源使用時的波形功能擴展。其他內(nèi)容該專利申請文件里面有詳細說明。這種 文氏橋振蕩器成本低、波型好、性能穩(wěn)定，考慮到人對聲音頻率的敏感程度，其振蕩頻率設(shè) 計在1-6千赫茲為宜，并且頻率應(yīng)該可調(diào)，后面部分為中功率集成功放電路，可用常見的各 類集成功放電路結(jié)構(gòu)。音頻信號發(fā)生器24中應(yīng)該帶音量調(diào)節(jié)電位器。駐波實驗話筒12和 環(huán)境聲場話筒20都選用駐極體小電容話筒，話筒20安裝在底座2的側(cè)面開孔位置。話筒 信號放大器26的前端可選用兩級共射極放大帶負反饋的交流放大器，后端的功率放大器 可選用中功率集成功放電路，它也應(yīng)帶有音量調(diào)節(jié)電位器和輸出插座30。雙路穩(wěn)壓電源28 可用獨立的雙次級繞組變壓器降壓、整流、濾波，再經(jīng)三端穩(wěn)壓集成塊7812和7805和其他 元器件組合而成的串聯(lián)穩(wěn)壓電路構(gòu)成。電熱器加熱可調(diào)穩(wěn)壓電源29可直接利用市面上的 50W可調(diào)48V開關(guān)穩(wěn)壓電源，配套電加熱器19的電阻值48 Ω，電加熱器19可直接用合適的 電爐絲拉長使用，其外引線要并聯(lián)粗導線以避免該段發(fā)熱溫度過高使穿孔變形(當透明圓 管18為玻璃則永不會變形的)。自動溫度開關(guān)BT可選用斷開溫度為50攝氏度的雙金屬片 常通溫度開關(guān)。音頻電壓表25可用量程10-20V的小型數(shù)字交流電壓表頭或直流電壓表頭，當用 直流電壓表頭時要在其前端增加半波整流器。數(shù)字頻率表27可選用市面上的測量頻率范 圍為音頻的小型數(shù)字頻率計表頭。開關(guān)Kv和Kf可共用一個小型雙刀雙擲撥動開關(guān)代替，以 保證這兩個開關(guān)的機械同步動作。開關(guān)KH、KE, Ky以及電源總開關(guān)K可用單刀雙擲撥動開 關(guān)。保險絲BX規(guī)格0. 75Α。透明圓管18可以用玻璃或耐熱硬質(zhì)透明塑料制作。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。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。本發(fā)明的工作過程是這樣的當開關(guān)1(和&接通，開關(guān)撥向右側(cè)。調(diào)節(jié)音 頻信號發(fā)生器24的輸出頻率和電壓，并調(diào)節(jié)話筒信號放大器26的輸出調(diào)節(jié)電位器，使喇叭 Y聲音大小適中。此時，揚聲器14或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)，可以通過移 動手持的吸塊11磁性吸引滑塊10的位置達到改變駐波實驗話筒12的位置來尋找，移動駐 波實驗話筒12的位置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26進行音頻放大，并帶動喇叭Y發(fā)聲，就可聽到波腹處最大的聲音，同時音頻電壓表 25也同步顯示音頻電壓，從而很容易判斷相鄰波腹的具體位置和距離d。測出聲音波長λ 后，聲速V= XXf = 2dXf，其中f為聲音的頻率，可直接從數(shù)字頻率表27上讀出。由于 定量測量聲速時，要的是兩個波腹之間的距離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。如果用于理論課堂上演示 駐波現(xiàn)象，手拿吸塊11吸著滑塊10左右移動，可找出若干個使喇叭Y聲音最大(或最小) 的位置，且同時還有音頻電壓表精確顯示聲音的大小，演示效果直觀、形象、生動，并且不用 攜帶任何其他儀器，方便實用。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，省去了用空氣壓縮機的麻煩。如果氣嘴4是摩托車輪胎氣嘴結(jié)構(gòu)的，還 可以抽氣，可測低氣壓下的聲速。如果要測量不同溫度下的聲速或波長，可接通開關(guān)Kk，調(diào)節(jié)電加熱可調(diào)穩(wěn)壓電源 29的電壓調(diào)節(jié)電位器改變加熱功率，可測量某個溫度下的聲速或波長。從而驗證空氣中的 聲速與溫度的定量公式Co = 331. 5+0. 6t (m/s)的正確性(t為溫度)。本發(fā)明的第2個實施例是請見圖2，將軌道鋼絲7換成螺桿，滑塊10的孔就是配 套螺母，螺桿左右端都帶有可防止螺桿左右滑動的機械擋片，并有防止漏氣的軸承和橡膠 件；螺桿左端帶有手輪31，可搖動手輪31讓螺桿旋轉(zhuǎn)使滑塊10左右移動。為了能較快速 的移動滑塊10，螺桿上的螺紋最好制成間隔很粗的(類似于齒輪傳動中的蝸桿)。本發(fā)明將駐波實驗話筒12以及滑塊10等上述相關(guān)部件總稱為可移動的話筒組合
直ο本發(fā)明的第3個實施例是請見圖3，去掉音頻電壓顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)Kv和頻率顯示 轉(zhuǎn)換開關(guān)Kf，直接將音頻電壓表25和數(shù)字頻率表27的輸入端接話筒信號放大器26的輸出 端。此時本儀器就不能作為信號源用于其他實驗項目。本發(fā)明的第4個實施例是請見圖4，電加熱器19的供電電源也可直接取自220V 交流市電，此時其電阻值要增加到幾千歐，以保證加熱功率在100瓦以內(nèi)，此時，可在供電 電路串聯(lián)一個開關(guān)Kd和二極管D并聯(lián)構(gòu)成的功率調(diào)節(jié)器，開關(guān)Kd斷開功率較小，開關(guān)Kd接通時為全功率。這可大幅度降低儀器的成本。各圖中主機內(nèi)的各個大圓圈表示相關(guān)電位器弓丨出的調(diào)節(jié)旋鈕。本發(fā)明還可以有其他一些變化，比如音頻信號發(fā)生器24可用其他類型的、駐波 實驗話筒12的移動機構(gòu)還可以是其他結(jié)構(gòu)甚至是透明圓管內(nèi)安裝步進電機配合透明管外 的單片機驅(qū)動機構(gòu)、溫度計也可用酒精溫度計、各個儀表也可用指針式的等等，但這些變化 都沒有偏離本發(fā)明的實質(zhì)。
權(quán)利要求
一種聲音特性綜合實驗儀，包含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，在一個密封件內(nèi)側(cè)固定有揚聲器，透明圓管內(nèi)有一套可移動的話筒組合裝置，其特征是透明圓管內(nèi)帶有電加熱器，電加熱器與供電電源并聯(lián)，溫度計的溫度傳感頭安裝在透明圓管內(nèi)，揚聲器與主機內(nèi)的音頻信號發(fā)生器的輸出端相連，雙路穩(wěn)壓電源的+12V輸出端與音頻信號發(fā)生器以及話筒信號放大器的電源輸入端相連，雙路穩(wěn)壓電源的+5V輸出端與數(shù)字頻率表以及音頻電壓表的電源輸入端相連，話筒信號放大器的輸入端與話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)的中心接點相連，駐波實驗話筒與話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)的一個接點相連，環(huán)境聲場話筒與話筒轉(zhuǎn)換開關(guān)的另一個接點相連，數(shù)字頻率表的輸入端以及音頻電壓表的輸入端與話筒信號放大器的輸出端相連。
2.按權(quán)利要求1所述的聲音特性綜合實驗儀，其特征是數(shù)字頻率表的輸入端與頻率 顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)中心接點相連，音頻電壓表的輸入端與音頻電壓顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)的中心接點相 連，頻率顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)和音頻電壓顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)聯(lián)動。
3.按權(quán)利要求1所述的聲音特性綜合實驗儀，其特征是電加熱器與供電電源之間還串 聯(lián)有自動溫度開關(guān)，自動溫度開關(guān)安裝在透明圓管內(nèi)。
4.按權(quán)利要求1所述的聲音特性綜合實驗儀，其特征是話筒信號放大器的輸出端通過 開關(guān)與喇叭相連。
5.按權(quán)利要求1所述的聲音特性綜合實驗儀，其特征是主機內(nèi)的各部分安裝在底座 內(nèi)，各控制旋鈕以及控制開關(guān)和輸出插座安裝在底座的側(cè)面，各儀表安裝在儀表箱上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲音特性綜合實驗儀，它的透明圓管內(nèi)帶有電加熱器和溫度計，透明圓管內(nèi)一端安裝揚聲器，揚聲器與機內(nèi)自帶的音頻信號發(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)有一套可移動的話筒組合裝置，話筒與話筒信號放大器相連，話筒信號放大器與音頻電壓表相連，通過改變話筒的位置，可快速方便地找到駐波的波節(jié)位置，從而測量聲音特性或演示駐波現(xiàn)象，它還可顯示環(huán)境聲音的頻率及強度，并可作為音頻信號源使用?？朔爽F(xiàn)有聲速測量儀要外配信號源、示波器的麻煩，也克服了前者不能做聲速與溫度和氣壓關(guān)系的實驗內(nèi)容，它為低成本一體化設(shè)計，使用方便可靠，聲光同步顯示。它可用于高校的聲速測量實驗或演示物理實驗。
文檔編號G09B23/14GK101958073SQ20101028120
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者趙杰 申請人:德州學院