УСТАНОВКА ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ОПЫТОВ Российский патент 1997 года по МПК G09B23/14 

Изобретение относится к демонстрационным приборам и наглядным пособиям по физике, в частности к приборам при акустике.

Известен индикатор интенсивности волны в точке [1] состоящий из последовательно соединенных приемника звука (микрофона), усилителя и регистрирующего устройства (осциллографа или вольтметра).

Его недостатком является невозможность продемонстрировать распространение звука, эффект Доплера, сдвиг фаз между колебаниями в двух точках звукового поля, измерить длину волны.

Известен прибор для демонстрации сдвига фаз между колебаниями в звуковой волне [2] Прибор содержит звуковой генератор, выход которого подключен к излучателю звука и к одному входу двухлучевого осциллографа, второй вход которого соединен с микрофоном.

Этот прибор не позволяет пронаблюдать колебания одновременно в двух точках звукового поля, продемонстрировать распространение звуковой волны, существование явления Доплера, показать зависимость доплеровского смещения от величины и направления скорости движения приемника относительно источника волны.

прототипом изобретения является установка для акустических опытов [3] содержащая звуковой генератор, излучатель звука, подключенный к выходу звукового генератора, приемник звука, установленный с возможностью перемещения вдоль акустической оси излучателя звука, усилитель и индикатор, связанный с выходом усилителя.

Данная установка не позволяет непосредственно пронаблюдать колебания одновременно в двух точках звукового поля, продемонстрировать распространение волны, существование явления Доплера, показать зависимость доплеровского смещения от величины и направления скорости движения приемника относительно источника волны. Прибор фактически показывает результат сложения двух колебаний, а не сами колебания.

Техническим результатом от использования изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение наглядности демонстрации опытов.

Он достигается за счет того, что в установку введены смеситель и генератор опорного сигнала, частота которого близка к частоте звукового генератора, а индикатор выполнен в виде светового индикатора амплитуды, причем первый вход смесителя соединен с выходом приемника звука, второй вход соединен с выходом генератора опорного сигнала, а выход подключен к входу усилителя.

Кроме того, установка может содержать дополнительные последовательно подключенные приемники звука, расположенные вдоль акустической оси излучателя, смесители, усилители и световые индикаторы, причем один из входов каждого дополнительного смесителя соединен с выходом генератора опорного сигнала. Световой индикатор выполнен малоинерционным и установлен вместе с приемником звука на одном из концов упругой пластины, другой конец которой закреплен.

изобретение поясняется чертежом фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 изображен прибор для демонстрации эффекта Доплера; на фиг. 2 - прибор для сравнения фазы колебаний в различных точках звукового поля и определения длины волны; на фиг. 3 представлен прибор для демонстрации распространения волны и блок-схема его электрической части.

Установка состоит из звукового генератора 1, излучателя звука 2, приемника звука 3, генератора опорного сигнала 5, смесителя 6, усилителя 7, светового индикатора 4 (фиг. 1). Частоты звукового генератора 1 и генератора опорного сигнала 5 отличаются друг от друга на ν-ν_o= 0,5-10 Гц Приемник звука 3 и световой индикатор 4 установлены на устройстве перемещения, в качестве которого используется платформа 8 с возможностью перемещения по направляющим 9.

Установка (фиг. 2) содержит по крайней мере два приемника звука 3 и 10, соединенных каждый со своими смесителями 6 и 12, усилителями 7, 13 и световыми индикаторами 4, 11, причем все смесители подключены к генератору опорного сигнала 5. Один приемник звука со световым индикатором неподвижен, другие, например, приемник 3 и индикатор 4 установлены на устройстве перемещения, состоящем из платформы 8 и направляющих 9. Другой вариант (фиг. 3) предполагает использование в качестве устройства перемещения упругой пластины 14, один конец которой закреплен, а на другом установлены приемник звука 3 и малоинерционный световой индикатор 4, расположенной с возможностью перемещения при ее изгибе приемника звука и светового индикатора вдоль направления распространения звуковой волны.

Установка работает следующим образом.

Излучатель звука 2 (фиг. 1) вырабатывает звуковую волну частотой ν. Звуковые колебания преобразуются неподвижным приемником звука в электрические колебания той же частоты, которые поступают на смеситель 6, где происходит их сложение с опорным сигналом, вырабатываемым генератором 5. Получающиеся при этом биения с частотой n-ν_o усиливаются усилителем и поступают на световой индикатор, который при этом мигает с той же частотой. Таким образом, установка как будто бы "замедляет" звуковые колебания в тысячи раз и визуализирует их. Ограничимся рассмотрением случая, когда частота исследуемого сигнала выше частоты опорного сигнала, в этом случае ее увеличение приводит к такому же по абсолютной величине увеличению частоты миганий светового индикатора.

При незначительных изменениях частоты ν звукового сигнала частота колебаний яркости светового индикатора n-ν_o существенно меняется, что и используется для демонстрации явления Доплера. При приближении излучателя к приемнику звука частота ν воспринимаемая приемником увеличивается, что вызывает равное по абсолютной величине изменение частоты миганий светового индикатора, наблюдаемое визуально. Установка позволяет не только убедиться в существовании явления Доплера, но и продемонстрировать, что при приближении (удалении) излучателя и приемника звука, частота воспринимаемая приемником увеличивается (уменьшается), а также на качественном уровне показать пропорциональность доплеровского смещения скорости относительного движения приемника.

Демонстрация сдвига фаз колебаний в звуковой волне, измерение длины волны осуществляется с помощью установки, содержащей два приемника (фиг. 2). Звуковая волна, вырабатываемая излучателем 2, достигает приемников 3, 10, на выходах которых возникают электрические колебания с частотой n и сдвигом фаз v пропорциональным расстоянию между ними. В смесителях происходит сложение этих колебаний с опорным колебанием частотой n_o На выходах усилителей получают биения с одинаковой частотой, сдвинутые по фазе друг относительно друга на Φ В результате световые индикаторы мигают с равными частотами и некоторым сдвигом фаз. Перемещая приемник 3, можно сравнить сдвиг фаз между колебаниями в разных точках звукового поля, определить длину волны - минимальное расстояние между приемниками, расположенными на одной акустической оси, при котором колебания яркости светового индикатора происходят в фазе. Установка может содержать несколько соединенных между собой приемников звука, смесителей, усилителей и регистрирующих устройств, причем все смесители подключены к генератору опорного сигнала 5.

Для демонстрации распространения звуковой волны используют установку фиг. 3. При колебаниях упругой пластины 14 рукой, малоинерционный индикатор вычерчивает пунктирные линии, которые равномерно перемещаются по направлению от источника звука. Если опыт проводится в затемненном помещении, а частота колебаний упругой пластины достаточна велика, то наблюдатель, в силу инерционности зрения, видит равномерно плывущую пунктирную линию, фактически являющуюся замедленной фотографией сгущений и разрежений звуковой волны. Зная частоту звука и частоту колебаний яркости светового индикатора, можно определить, во сколько раз происходит замедление звуковых колебаний. Измерив скорость распространения замедленной волны, легко оценить фазовую скорость звука.

Использование: демонстрация акустических явлений. Сущность изобретения: установка содержит звуковой генератор, к выходу которого подключен излучатель звука, приемник звука, установленный с возможностью перемещения вдоль акустической оси излучателя, генератор опорного сигнала, частота которого близка к частоте звукового генератора, смеситель, входы которого связаны с выходами приемника звука и генератора опорного сигнала, а выход подключен к световому индикатору амплитуды через усилитель. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для акустических опытов, содержащая звуковой генератор, излучатель звука, подключенный к выходу звукового генератора, приемник звука, установленный с возможностью перемещения вдоль акустической оси излучателя звука, усилитель и индикатор, связанный с выходом усилителя, отличающийся тем, что в нее введены смеситель и генератор опорного сигнала, частота которого близка к частоте звукового генератора, а индикатор выполнен в виде светового индикатора амплитуды, первый вход смесителя соединен с выходом приемника звука, второй вход соединен с выходом генератора опорного сигнала, а выход подключен к входу усилителя. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительные последовательно подключенные приемники звука, расположенные вдоль акустической оси излучателя звука, смесители, усилители и световые индикаторы, причем один из входов каждого дополнительного смесителя соединен с выходом генератора опорного сигнала. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что световой индикатор выполнен малоинерционным и установлен вместе с приемником звука на одном из концов упругой пластины, другой конец которой закреплен.