Устройство для демонстрации модуляции звуковой волны Советский патент 1989 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к средствам обучения, в частности к учебным приборам по физике, и может быть широко использовано в ряде лекционных наглядных экспериментов, таких, например, как демонстрация спектральной плотности энергии колебаний,модуляция колебаний, расширение спектра колебаний и т.д., и может быть применено в таких курсах по физике, как оп Гика, колебания, спектроскопия и т.д.

Целью изобретения является повышение наглядности демонстрации выделения гармоник спектра колебаний.

На фиг,1 приведена графическая схема устройства; на фиг.2 - принцип выделения спектра 1 армоник колебаний.

Устройство содержит последовательно соединенные частотный х енератор 1 ,

служаший для создания излучения звуковой частоты с акустической головки 2 , прерыватель 3, выполненный в виде реле и служащий дпя амплитудной модуляции с возможностью изменения частоты модуляции, прерывание которого осуществляется аналогичным гене- ,ратором 4, резонаторы Гельмголь- ца 5-7 с частотами, например, 150, 250, 350 Гц, три идентичные индикатора-вертушки 8-10, установленные на одинаковом уровне относительно резонаторов Гельмгольца 5-7, по вращению которых судят о возбуждении резонаторов, и падающие, сферические волны II от излучения головки 2,служащие для возбуждения резонаторов Гельмгольца 5-7.

Чтобы показать спектральную плотность энергии, определяющую энергию

сл

1C

О5

сл

гармоник спектра в единичной полосе частоты, возникает вопрос реальны ли гармоники Фурье или они являются результатом математической абстракции. Согласно спектральному подходу уединенный импульс представляется непрерывным множеством гармоник. Гармонические колебания,, существующие на бесконечной оси времени, образуют при суперпозиции сигнал, отличный от нуля лишь на конечном интервале времени t (- t/2 : t с/2). Если гармоники спектра реальны, то их мояшо обнаружить до появления сигнала.

В реальности гармоник спектра можно убедиться лишь экспериментальным путем при реги-страции реальным измерительным прибором. Таким прибором является резонатор, который откликается на гармонические колебания в некоторой полосе частот Л в окрестности резонансной 1астоты j прибора. Суперпозиция гармоник непрерывного спектра в этой полосе такова, что прибор откликается лишь после прихода сигнала, т.е. при t -0/2, и молчит до его появления. Можно показать математически, что отклик любого реального резонатора равен тождественно нулю при t - с/2 т.е. до прихода сигнала.

Уменьшение полосы прибора л в целях выделения бесконечно узкой части спектра приводит к бесконечному увеличению времени регистрации с , которое обратно пропорционально й согласно теореме о ширине частотной полосы. Поэтому регистрация одной гармоники непрерывного спектра S(O) принципиально невозможна.

Наглядным эспериментом по выделению гармоник спектра является опыт с резонаторами Гельмгольца 5-7 на которые воздействует звуковая волна различной частоты и длительности . эксперимента с тремя резонаторами, настроенными на частоты , , О, j приведена на (Jur.l. При воздействии звуковой волной в течение нескольких секунд на частоте Vrj возбуждается средний резонатор, что свидетельствует о существовании в спектре сигнала гармоник, лежащих в окрестности частоты j . Однако при большой длительности воздействия спектр узкий, гармоники на

10

20

25

276514

частотах 5, и отсутствуют,а соответствующие резонаторы не откликаются (фиг.2а).

Чтобы спектр снг нала перекрывал частоты V,, ,-v одновременно, необходимо, следуя теореме о ширине частотной полосы,сократить длительность сигнала до с: ,11 ( Пусть, например, , 150 Гц, О 250 Гц, v 350 Гц и, следовательно, 10 с. При сокращении длительности импульса ( уменьшается амплитуда гармоник спектра, так как она 5 обратно пропорциональна о . В результате энергии гармоник в полосе резонатора CiN оказывается недостаточно, чтобы возбудить в нем колебания (фиг.26). Поэтому при воздействии одиночным коротким импульсом с несущей частотой v или , , О не откликается ни один резонатор.

Для увеличения энергии гармоник можно перейти к воздействию в виде периодической последовательности ко0

5

0

5

0

5

ротких импульсов, например, с несущей частотой у , В этом случае при той же ширине, охватывающей все частоты резонаторов Y, , vz, v , спектр становится дискретным (фиг.2в). Шаг гармоник 1/Т, где Т - период следования импульсов. Величина должна быть достаточно мала, чтобы несколько гармоник укладывалось в рине спектра Д . Отсюда Т«с/Л-)., Опыт с воздействием периодической последовательностью коротких импульсов сПйесущей частотой показывает,что возбуждаются все три резонатора. Это подтверждает существование в спектре сигнала гармоник, лежащих в окрест- .ности частот Y) , V, Vj .

Наблюдение гармоник Фурье в спект,- ре сигнала возможнЪ при достаточной их энергии в полосе измерительного прибора.

Первоначально включают генератор 1 и при замкнутом прерывателе 3, демонстрируют, например, при частоте излучения генератора 2. 250 Гц с помощью звуковой излучательной головки 2 (динамика) возбуждение среднего резонатора Гельмгольца 6 по наличию вращения вертушки 9. При этом остальные не работают.

Затем включают прерыватель 3 и путем включения генератора 4 управляют частотой прерывания сигнала от генератора 1, например, с частотой

100 Гц, вследствие указанного вращаются все три вертушки 8-10 резонаторов, тем самым демонстрируется наличие гармоник Фурье. Параллельно излучателю звуковой частоты можно подключить осциллограф с анализатором, на экране которого дополнительно можно наблюдать реальный cneifTp (фиг.2в).

Прерыватель может быть выполнен из реле, управление которым осуществляется синусоидальным генератором, а через его контакты пропускается генерируемый сигнал, прерывание которого происходит за счет электромеханического размыкания контактов. Он также может быть выполнен и в виде электронного модулятора на транзисторе.

Вертушки-индикаторы вращения выполнены из легкого материала, например тонкого пенопласта, в виде турби нок, установленных своим центром в одной точке на игольчатый упор, дающий минимальное трение и свободу вращению.

5

10

527651

Расширение демонстрационной наглядности вызвано тем, что использование трех приемников в реле-модуляторе дает возможность продемонстрировать спектральную плотность энергии их гармоники, амплитудную модуляцию и условия их существования. Формула изобретения

Устройство для демонстрации модуляции звуковой волны, содержащее частотный генератор, излучатель в виде акустической головки, прерыватель и приемное устройство, отличающееся; тем, что, с целью повышения наглядности демонстрации выделения гармоник спектра колебаний, прерыватель состоит из управляемого частотного реле и дополнительного генератора, который выходами подключен к входам реле, а приемное устройство состоит из нескольким расположенных на одинаковом уровне от центра акустической головки резонаторов Гельмгольца с различными частотами и расположенных на их выходах ин- дикаторов-вертущек.

15

20

25

Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть широко использовано в лекционных курсах по физике таких, как оптика, колебания, спектроскопия и т.д. Цель изобретения - повышение наглядности демонстрации выделения гармоник спектра колебаний. Сущность изобретения заключается в том, что в нем частотный генератор, прерыватель и излучатель выполнены в виде последовательно соединенных генератора звуковых частот, управляемого частотного реле и акустической головки, причем к входам управляемого частотного реле подключен своими выходами аналогичный генератор, а приемное устройство выполнено в виде трех резонаторов Гельмгольца с разными частотами, установленными на одинаковом уровне относительно центра акустической головки, причем на выходе резонаторов установлены три идентичных индикатора-вертушки, служащих для индикации возбуждения резонаторов. 2 ил.

. ,:150Гц

В

фиг. 1

-/,

Г t

.фуг 2