縱波的駐波生成及演示裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種縱波的駐波生成及演示裝置，包括主控制器、放大電路、揚聲器、玻璃管、以及多個壓力傳感器；主控制器，用于控制放大電路產生聲波；揚聲器，用于將聲波輸入到玻璃管中；玻璃管中具有液體；當聲波在玻璃管中傳播時，會在玻璃管的另一端反射回來，與發(fā)出的聲波相互疊加形成駐波。本實用新型的裝置，可以產生和模擬各種環(huán)境下多種縱波產生的駐波。
【專利說明】縱波的駐波生成及演示裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種教學儀器領域，尤其涉及一種縱波的駐波生成及演示裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]駐波是波的疊加中最簡單、最基本的現象。當兩個或多個波在同一地點相遇時，質點的位移是各個波動的位移之和，這就是波的疊加。當兩列波的相位差為η時，疊加的形式為駐波，其最大振幅處稱為波腹，最小振幅處稱為波節(jié)。如果兩列波的振幅相等，則波節(jié)振幅為零。
[0003]駐波的現象及形成是物理基礎教學中要求學生必須掌握的知識，理解駐波的形成過程是后面學習波的疊加以及波的干涉的基礎，所以理解和掌握駐波的知識是學習中重要的一個環(huán)節(jié)。雖然駐波是波的疊加中最簡單、最基本的現象，也是生活中相當普遍的現象，但是人的感官往往很難完整、形象地感覺到這種現象，因而人們對駐波的感性認識并不深亥|J，所以對于學生來說，在教學中使用駐波演示裝置是非常必要的?，F有技術中，駐波的演示裝置有許多，教學中的使用也相當普遍，如許多教學儀器廠生產的用喇叭作振源的可調頻駐波演示裝置；還有用偏心電機作振源的可調頻演示器等。
[0004]橫波和縱波均可通過反射形成駐波，橫波產生的駐波很容易觀察到，但是縱波產生的駐波很難通過儀器裝置直觀形象的觀察。舉個例子來說，一座橋梁，它所受到的不僅有風(橫波)和其上面的車輛的影響，還有很多聲音(縱波)或其他縱波的影響，我們要盡量使駐波中振幅最大的波腹點不要出現在橋梁上，或者出現在橋上相對比較牢固的地方，而使保持靜止的波節(jié)出現在相對不太牢固的地方，從而充分延長橋梁的使用壽命。如果只用橫波駐波的實驗裝置是不能模擬出聲音(或其他縱波)對它的影響的。因此，研究縱波同樣具有很大的實際意義。
[0005]聲波是一種常見的縱波，因此可利用聲波的反射、疊加來產生縱波的駐波。目前大學物理演示實驗中，主要是利用昆特管來演示聲駐波現象。昆特管主要由底座、揚聲器、玻璃管、煤油構成。在實驗中，低頻信號發(fā)生器驅動揚聲器向管內發(fā)射不同頻率的聲波，玻璃管的另一端成為波的反射面。當入射聲波和反射聲波滿足一定關系時，相互疊加形成駐波。在駐波中，波節(jié)點附近的空氣分子始終保持靜止不動，波腹點附近的空氣分子振幅最大，其他各點以不同的振幅振動。因此，波腹處空氣的壓強最小，煤油被吸起，形成噴泉；而波節(jié)點處煤油保持靜止。
[0006]現有技術中的聲駐波演示裝置中，功能比較單一，只能通過煤油觀察不同頻率的聲波產生駐波的現象，而且只能通過尺子粗略的測量出聲速，會存在較大的誤差。然而，在現實環(huán)境中，氣體的濕度、溫度和密度會經常發(fā)生變化，此時，現有的聲駐波演示裝置并不能對現實中產生什么實際意義，這也就很難在相關領域有所應用。
實用新型內容
[0007]本實用新型是鑒于上述技術問題而產生的。本實用新型的目的是提出一種縱波的駐波生成及演示裝置，其能產生和模擬各種環(huán)境下多種縱波產生的駐波。此外，本實用新型的裝置，還可以準確地計算出氣體在不同條件下的傳播速度。
[0008]本實用新型的實施例提供一種縱波的駐波生成及演示裝置，包括主控制器、放大電路、揚聲器、玻璃管、以及多個壓力傳感器；主控制器、放大電路、揚聲器、玻璃管依次相連接；多個壓力傳感器位于玻璃管上部的不同位置，并且所述多個壓力傳感器與主控制器相連接；主控制器，用于控制放大電路產生聲波；主控制器，還用于從所述多個壓力傳感器獲取多個壓力值，由此得到玻璃管中不同位置的氣體壓力數值；放大電路，用于產生聲波，并輸入到揚聲器中；揚聲器，用于將聲波輸入到玻璃管中；玻璃管中具有液體；當聲波在玻璃管中傳播時，會在玻璃管的另一端反射回來，與發(fā)出的聲波相互疊加形成駐波。
[0009]進一步地，在玻璃管上還安裝有壓力控制器；所述主控制器，還用于控制壓力控制器和壓力傳感器來調節(jié)玻璃管中氣體的密度。
[0010]進一步地，在玻璃管上還安裝有溫度傳感器和溫度控制器；所述主控制器，還用于控制溫度傳感器和溫度控制器來調節(jié)玻璃管中氣體的溫度。
[0011]進一步地，在玻璃管上還安裝有濕度傳感器和濕度控制器；所述主控制器，還用于控制濕度傳感器和濕度控制器來調節(jié)玻璃管中氣體的濕度。
[0012]進一步地，所述裝置還包括顯示器；并且主控制器，還用于根據聲波的波長λ以及頻率V計算出聲音在當前氣體中的傳播速度U= λ V，并且將氣體的濕度、溫度、密度、以及計算出的聲速通過顯示器顯示出來。
[0013]進一步地，主控制器，還用于按比例在顯示器中顯示出玻璃管中模擬的氣體壓強圖。
[0014]進一步地，在本實用新型中，所述氣體為空氣，所述液體為煤油。
[0015]進一步地，所述放大電路為可調放大電路；所述主控制器，還用于控制可調放大電路產生的聲波的頻率。
[0016]進一步地，所述裝置還包括支架，并且所述玻璃管放置于支架上。
[0017]與現有技術相比，采用本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置具有以下有益效果:
[0018](I)本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置能夠通過裝置里的主控制器以及各種參數傳感器、控制器來精確設定玻璃管內氣體的濕度、溫度和密度等參數，由此來產生和模擬各種環(huán)境下多種縱波產生的駐波，再通過研究使波節(jié)和波腹分布在想要它們出現的位置，從而指導實際領域。因此本裝置可應用在鐵路、公路、橋梁等工程和建筑工程領域或其他領域，具有很大的實際應用性和現實指導意義。
[0019](2)本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置還能夠利用各種傳感器來自動測量在聲波演示的玻璃管上的各個參數，從而可以準確地獲得氣體在不同條件下的傳播速度變化情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]結合隨后的附圖，從下面的詳細說明中可顯而易見的得出本實用新型的上述及其他目的、特征及優(yōu)點。在附圖中:
[0021]圖1示出了根據本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置的結構圖；[0022]圖2示出了根據本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置的電路框圖。
【具體實施方式】
[0023]為了更全面地理解本實用新型及其優(yōu)點，下面結合附圖及具體實施例對本實用新型做進一步詳細地說明。
[0024]首先，介紹一下影響聲音傳播速度(聲速)的因素。聲速，顧名思義即是聲音的速度，定義為單位時間內振動波傳遞的距離。聲速與傳遞介質的材質狀況(密度、溫度、壓力等)有關，而與發(fā)聲者(波源)本身的速度無關，而發(fā)聲者(波源)與聽者(觀察者)間若有相對運動關系，就形成了多普勒效應。由此觀點，我們可以知道，超聲速時的諸多物理現象，例如震波、音爆、音障等，其實與聲音無關，而是壓縮波密集累積所產生的物理現象。通常聲速是指在空氣中的聲速，為343.2米/秒。聲速又會依空氣的狀態(tài)(如濕度、溫度、密度)不同而有不同數值。如攝氏零度之海平面聲速約為331.5米/秒(1193公里/小時);一萬米高空之聲速約為295米/秒(1062公里/小時)；另外每升高I攝氏度，聲速就增加0.607米/秒。
[0025]本實用新型的實施例提供一種縱波的駐波生成及演示裝置，包括主控制器、放大電路、揚聲器、玻璃管、以及多個壓力傳感器；主控制器、放大電路、揚聲器、玻璃管依次相連接；多個壓力傳感器位于玻璃管上部的不同位置，并且所述多個壓力傳感器與主控制器相連接；主控制器，用于控制放大電路產生聲波；主控制器，還用于從所述多個壓力傳感器獲取多個壓力值，由此得到玻璃管中不同位置的氣體壓力數值；放大電路，用于產生聲波，并輸入到揚聲器中；揚聲器，用于將聲波輸入到玻璃管中；玻璃管中具有液體；當聲波在玻璃管中傳播時，會在玻璃管的另一端反射回來，與發(fā)出的聲波相互疊加形成駐波。
[0026]進一步地，在玻璃管上還安裝有壓力控制器；所述主控制器，還用于控制壓力控制器和壓力傳感器來調節(jié)玻璃管中氣體的密度。
[0027]進一步地，在玻璃管上還安裝有溫度傳感器和溫度控制器；所述主控制器，還用于控制溫度傳感器和溫度控制器來調節(jié)玻璃管中氣體的溫度。
[0028]進一步地，在玻璃管上還安裝有濕度傳感器和濕度控制器；所述主控制器，還用于控制濕度傳感器和濕度控制器來調節(jié)玻璃管中氣體的濕度。
[0029]進一步地，所述裝置還包括顯示器；并且主控制器，還用于根據氣體的濕度、溫度、密度計算出聲速，并且將氣體的濕度、溫度、密度、以及計算出的聲速通過顯示器顯示出來。
[0030]進一步地，主控制器，還用于按比例在顯示器中顯示出玻璃管中模擬的氣體壓強圖。
[0031 ] 進一步地，在本實用新型中，所述氣體為空氣，所述液體為煤油。
[0032]進一步地，所述放大電路為可調放大電路；所述主控制器，還用于控制可調放大電路產生的聲波的頻率。
[0033]進一步地，所述裝置還包括支架，并且所述玻璃管放置于支架上。
[0034]下面，參考圖1-2，對根據本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置的組成結構進行詳細介紹。
[0035]本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置包括:揚聲器1，玻璃管2，支架4，放大電路5，主控制器6，顯示器7，壓力傳感器8，溫度傳感器9，濕度傳感器10，壓力控制器11，溫度控制器12，濕度控制器13，其中:
[0036]揚聲器I的輸入端與放大電路5相連接,輸出端與玻璃管2的其中一端相連接。揚聲器I經輸出端輸出聲波到玻璃管2中。聲波會在玻璃管2中傳播，并在玻璃管2的另一端反射回來與發(fā)出的聲波形成干涉，使不同位置的空氣壓強不一樣，從而在玻璃管2的下部分會產生“噴泉”現象。
[0037]玻璃管2,放置于支架4上。玻璃管2的一端與揚聲器I的輸出端相連接，另一端則安裝了溫度傳感器9、濕度傳感器10、壓力控制器11、溫度控制器12、濕度控制器13。在本實用新型中，玻璃管2中裝了一層煤油3。另外，玻璃管2的上面安裝了多個壓力傳感器8，每個壓力傳感器8用于獲取其所在位置的壓力值，并將不同位置的壓力數值發(fā)送到主控制器6上，由主控制器6經過分析處理得到玻璃管2中不同位置的空氣壓力數值。其中，安裝的壓力傳感器8的數量可以根據實際需要進行設置。
[0038]放大電路5,其與主控制器6相連接,用于產生聲波,并輸入到揚聲器I中。在本實用新型中，所述放大電路5為可調節(jié)的放大電路，并由主控制器6控制產生的聲波的頻率。
[0039]主控制器6分別與放大電路5、顯示器7、壓力傳感器8、溫度傳感器9、濕度傳感器
10、壓力控制器11、溫度控制器12和濕度控制器13相連接。主控制器6，用于控制放大電路5產生聲波，并且還可以根據需要控制產生的聲波的頻率。主控制器6，還用于控制通過壓力控制器11和壓力傳感器8來精確的調節(jié)玻璃管2中空氣的密度；通過溫度傳感器9和溫度控制器12來精確的調節(jié)玻璃管2中空氣的溫度；再通過濕度傳感器10和濕度控制器13來精確的調節(jié)玻璃管2中空氣的濕度。
[0040]主控制器6，還用于根據聲波的波長λ以及頻率V計算出聲音在當前氣體中的傳播速度，并且將氣體的濕度、溫度、密度、以及計算出的聲速通過顯示器7顯示出來。此外，主控制器6還可以用于按比例在顯示器7中顯示出玻璃管2中模擬的空氣壓強圖，由此實驗者就可以和現實中玻璃管2中煤油3的振動情況做對比。
[0041]在此需要說明的是，玻璃管2中的空氣也可以換成其他氣體，煤油3可以更換成其他液體，從而產生和模擬多種情況的駐波現象。
[0042]下面介紹本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置產生縱駐波的方法:
[0043]當揚聲器I從玻璃管2的一端發(fā)出聲波時，聲波會在玻璃管2中傳播，并在玻璃管2的另一端反射回來與發(fā)出的聲波形成干涉，使不同位置的空氣壓強不一樣，從而在玻璃管2的下部分會產生“噴泉”現象。而在玻璃管2的上部，空氣會對多個壓力傳感器8產生不同的壓力，這樣就可以通過壓力傳感器8把不同位置的壓力數值發(fā)送到主控制器6上，從而經過分析處理精確的得到玻璃管2中不同位置的空氣壓力數值。
[0044]主控制器6通過放大電路5來調節(jié)揚聲器I發(fā)出聲波的頻率。具體來說，在本實用新型中，通過旋轉由放大電路5組成的功率放大裝置的調節(jié)旋鈕，使通過揚聲器I的電流變大或變小，從而揚聲器I產生的聲波的頻率也會隨之變大或變小。同時，調節(jié)后的頻率會實時反饋給主控制器6，控制器6再將頻率值顯示在顯示器7上，由此實驗者可以觀看不同聲波頻率下的現象。本實用新型的實現調節(jié)聲波頻率的方式僅僅是舉例，而不是對本實用新型的限制，本領域技術人員可以明了其還可以采用其它替代方式來實現。
[0045]主控制器6，還可以通過壓力控制器11和壓力傳感器8來精確的調節(jié)玻璃管2中空氣的密度；通過溫度傳感器9和溫度控制器12來精確的調節(jié)玻璃管2中空氣的溫度；通過濕度傳感器10和濕度控制器13來精確的調節(jié)玻璃管2中空氣的濕度。具體而言，在揚聲器I發(fā)出聲波前，壓力傳感器8可以測出當前玻璃管2中的氣體壓力并把它上傳給主控制器6,此時由于揚聲器I并沒有發(fā)出聲波,所以玻璃管2中各點的氣體壓力相等。主控制器6發(fā)出指令信號給壓力控制器11以對玻璃管2中的氣體壓力進行控制。壓力控制器11可通過多種方式來對玻璃管2中的氣體壓力進行控制，在本實用新型中，采用往玻璃管2中注入或者排除定量相同氣體的方法來實現(其實也就是改變玻璃管2中氣體的密度)，并且當玻璃管2中的氣體壓強達到設定值時，主控制器6就會從壓力傳感器8的反饋信息中得知，同時立即給壓力控制器11發(fā)出停止指令，這樣就實現了對壓力的調節(jié)以及玻璃管中氣體密度的調節(jié)。溫度和濕度的調節(jié)方法也類似，具體而言，主控制器6發(fā)出指令信號給溫度控制器12，使得溫度控制器12對玻璃管2中的氣體進行加熱或降溫來實現對溫度的控制；主控制器6發(fā)出指令信號給濕度控制器13，使得濕度控制器13對玻璃管2中的氣體進行加入水蒸氣或者吸出水蒸氣來實現對濕度的控制。
[0046]主控制器6，還用于根據聲波的波長λ以及頻率V計算出聲音在當前氣體中的傳播速度，并且將氣體的濕度、溫度、密度、以及計算出的聲速通過顯示器7顯示出來。具體而言，由于相鄰波腹或波節(jié)間的距離為半個波長，因此根據兩個相鄰波峰或波谷之間的距離來獲得波長λ，聲波的頻率V可由信號發(fā)生器得知，這樣，由?!=λ V，即可求出聲音在當前氣體中的傳播速度。當更改當前氣體的溫度、濕度和密度后，同樣根據上面的公式計算出聲速。從而可以準確地計算出氣體在不同條件下的傳播速度。這樣算出的每個聲速都會和它當時實時的氣體溫度、濕度和密度同時對應顯示在顯示器7上，并將這些數據存儲在主控制器6中，或發(fā)送給上位機、PC中保存下來。
[0047]此外，主控制器6還可以用于按比例在顯示器7中顯示出玻璃管2中模擬的空氣壓強圖。由此實驗者就可以和現實中玻璃管2中煤油3的振動情況做對比。這里所說的空氣壓強圖就是說當揚聲器I啟動后玻璃管2中的氣體由于受到聲波的影響會使得每點的壓強都產生變化，不過這些變化都可以通過安裝在玻璃管2的上部分的一排足夠密集的壓力傳感器8來實時的監(jiān)測出來，并把不同位置的壓力數值發(fā)送到主控制器6上，從而經過分析處理精確的得到玻璃管2中不同位置的空氣壓力數值。然后再根據這些每個坐標位置的壓力數值，按照實際玻璃管2的長 度和其內部每一個壓力傳感器8的位置的比例，在顯示器7中顯示出波形圖。此圖的橫坐標為長度(也就是模擬玻璃管2中的位置)，縱坐標為壓力，這樣繪制出來的曲線圖就形象的反映了玻璃管2中的壓強分布，再把這個圖和實際玻璃管2中的液體振動情況進行對比，就會發(fā)現顯示器7上波形圖的波峰(或波谷)，在現實中玻璃管2的相同位置上大致上會是波谷(或波峰)。如果把縱坐標設為壓力的負值的話，其波形就會和實際在玻璃管2中看到的液體波形大致一樣了。
[0048]與現有技術相比，采用本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置具有以下有益效果:
[0049](I)本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置能夠通過裝置里的主控制器以及各種參數傳感器、控制器來精確設定玻璃管內氣體的濕度、溫度和密度等參數，由此來產生和模擬各種環(huán)境下多種縱波產生的駐波，再通過研究使波節(jié)和波腹分布在想要它們出現的位置，從而指導實際領域。因此本裝置可應用在鐵路、公路、橋梁等工程和建筑工程領域或其他領域，具有很大的實際應用性和現實指導意義。[0050](2)本實用新型的縱波的駐波生成及演示裝置還能夠利用各種傳感器來自動測量在聲波演示的玻璃管上的各個參數，從而可以準確地獲得氣體在不同條件下的傳播速度變化情況。
[0051]此外，對于本領域的普通技術人員來說可顯而易見的得出其他優(yōu)點和修改。因此，具有更廣方面的本實用新型并不局限于這里所示出的并且所描述的具體說明及示例性實施例。因此，在不脫離由隨后權利要求及其等價體所定義的一般實用新型構思的精神和范圍的情況下，可對其做出各種修改。
【權利要求】
1.一種縱波的駐波生成及演示裝置，其特征在于該裝置包括主控制器、放大電路、揚聲器、玻璃管、以及多個壓力傳感器；其中: 主控制器、放大電路、揚聲器、玻璃管依次相連接；多個壓力傳感器位于玻璃管上部的不同位置，并且所述多個壓力傳感器與主控制器相連接； 主控制器，用于控制放大電路產生聲波；主控制器，還用于從所述多個壓力傳感器獲取多個壓力值，由此得到玻璃管中不同位置的氣體壓力數值； 放大電路，用于產生聲波，并輸入到揚聲器中； 揚聲器，用于將聲波輸入到玻璃管中； 玻璃管中具有液體；當聲波在玻璃管中傳播時，會在玻璃管的另一端反射回來，與發(fā)出的聲波相互疊加形成駐波。
2.根據權利要求1所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中: 在玻璃管上還安裝有壓力控制器，所述壓力控制器與主控制器相連接； 所述主控制器，還用于控制壓力控制器和壓力傳感器來調節(jié)玻璃管中氣體的密度。
3.根據權利要求2所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中: 在玻璃管上還安裝有溫度傳感器和溫度控制器，所述溫度傳感器和溫度控制器分別與主控制器相連接； 所述主控制器，還用于控制溫度傳感器和溫度控制器來調節(jié)玻璃管中氣體的溫度。
4.根據權利要求1-3任一項所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中: 在玻璃管上還安裝有濕度傳感器和濕度控制器，所述濕度傳感器和濕度控制器分別與主控制器相連接； 所述主控制器，還用于控制濕度傳感器和濕度控制器來調節(jié)玻璃管中氣體的濕度。
5.根據權利要求4所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中所述裝置還包括顯示器，所述顯示器與主控制器相連接；并且 主控制器，還用于根據聲波的波長λ以及頻率V計算出聲音在當前氣體中的傳播速度U= λ V，并且將氣體的濕度、溫度、密度、以及計算出的聲速通過顯示器顯示出來。
6.根據權利要求5所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中: 主控制器，還用于按比例在顯示器中顯示出玻璃管中模擬的氣體壓強圖。
7.根據權利要求1-3和5-6任一項所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中所述氣體為空氣。
8.根據權利要求1-3和5-6任一項所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中所述液體為煤油。
9.根據權利要求1-3和5-6任一項所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中: 所述放大電路為可調放大電路； 所述主控制器，還用于控制可調放大電路產生的聲波的頻率。
10.根據權利要求1-3和5-6任一項所述的縱波的駐波生成及演示裝置，其中所述裝置還包括支架，并且所述玻璃管放置于支架上。
【文檔編號】G09B23/14GK203490877SQ201320656332
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2013年10月23日
【發(fā)明者】呼艷生, 王啟銀, 趙銳, 姚學武, 胡吉蓮, 趙睿, 薛輝 申請人:國家電網公司, 山西省電力公司大同供電分公司