[01138349]一种感音声音驻波演示装置

①课题来源与背景： 声学在高校物理实验教学中是必不可少的内容。在声学方面的常用教学仪器有昆特管、火焰驻波、共鸣 管和超声法测声速等仪器。而这些仪器都存在着有诸多不足,对教学效果有较大的影响。例如：昆特管 教学演示过程中噪声大;火焰驻波会存在煤气残留;共鸣管和超声法测声速的测量精度低。且都存在这 功能单一,实验内容不够丰富等缺陷。为克服常规声学教学仪器在使用过程中的缺陷,特研发一种新的 教学实验仪器——“声控发光驻波实验仪”。 ②技术原理及性能指标： “声控发光驻波实验仪”是通过声控发光单元阵列展示声音振动的各种现象。每一个声控发光单元,都 由麦克风、放大电路和发光二极管组成。当管端扬声器工作时,调节信号源的频率,可使管内产生稳定 的驻波。通过内置麦克风采集声音信号来控制对应位置的发光单元,从而使发光二极管发光亮度随驻波 规律变化,并通过驻波的长度和频率来测定声速。 仪器由支架、驻波管、声控发光阵列、扬声器、硬质端盖、储棉端盖、电源、函数信号发生器组成。仪 器为9V供电,功耗小于5W。声速测量精度（输入频率为600—3500Hz,声速相对误差＜0.5%）。仪器还具 有演示功能,详细情况如下： a.观察管内驻波情形下声音强度分布：在给定的范围内调节信号的输入频率和幅度,当发光阵列呈现明 显的明暗分布,便可知管内已经形成了稳定的驻波。过程中可以揭开端盖,比较管端敞开和封闭两种情 况下驻波现象有何不同,观察半波损失现象。 b.观察管内驻波情形下声音强度和相位分布：在给定的范围内调节信号的输入频率和幅度,当发光阵列 呈现明显的双色明暗分布（红色代表空气振动处于瞬时压缩状态,绿色代表空气振动处于瞬时舒张状态 ）,便可知管内已经形成了稳定的驻波。可以看出相邻波腹的颜色不同,说明相邻波腹的振动相位不同 。 c.在外部信号的触发下观察管内驻波相位变化：在给定的范围内调节信号的输入频率和幅度,并将触发 接口接入方波信号,且与音频接口的频率有0.5Hz左右的频差,发光阵列将呈现明显的双色明暗分布,且 双色交替变化,交替变化的频率与两路信号频差有关。 d.在无反射波的情况下观察管内相位变化：将管端换上储棉端盖,在给定的范围内调节信号的输入频率 和幅度,并将触发接口接入方波信号,且与音频接口的频率有0.5Hz左右的频差,发光阵列将呈现明显的 双色明暗分布,且双色以恒定的亮度沿着管子的方向移动,移动的速度与两路信号频率和频差有关,移 动的方向与触发信号同音频信号的大小有关。 e.环境声音在管内形成的驻波：将管端端盖打开。在管开口端处吹乐器或用手机播放音乐,即可观察到 管内驻波现象,同时测定管外声源的波长和频率。 ③技术的创造性与先进性: “声控发光驻波实验仪”兼具定性演示和定量测量双重功能。将看不见的声波用看得见的亮度显示,并 且利用颜色来区分振动相位。与传统同类教学实验仪器相比,对声学现象展示的更为全面。不仅可以观 察驻波现象,还可以观察半波损失现象,行波现象,以及声音振动过程中各个位置的相位关系,而且还 可以在较宽的频带范围（600-3500Hz）内高精度的测量声音在空气中的速度（相对误差小于0.5%）。 产品的设计充分利用新技术,设计所采用的芯片均为常规芯片。设计方案新颖,在有限的电路空间内, 对元件合理布局,巧妙布线,实现了更为全面的功能。为实验教学内容的拓展,起到很好的支撑作用。 在实现同类产品应有功能的同时,也克服了同类产品所存在的缺陷和不足。产品已获得国家专利授权, 专利号: ZL 2015 2 0438503.7。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性: “声控发光驻波实验仪”为低电压供电,功耗低,仪器采用通用性接口,功能采用成熟技术实现。性能 稳定,通用性好,安全可靠,成熟度高。仪器主要应用于高等院校物理实验教学。仪器自2015年研发至 今,经多次修改,反复调试功能和稳定性均得到很大提高。 ⑤应用情况及存在的问题： “声控发光驻波实验仪” 产品自身质量好,性能稳定可靠。我公司已于2017年委托上海实博实业有限公 司独家对外销售。产品现已经销售至重庆科技学院、陕西师范大学、西安交通大学和皖西学院等高等院 校。存在的问题主要是对市场的拓展力度不够,对产品的宣传推广强度不足。 ⑥历年获奖情况： 2016年4月参加“安徽省首届高等学校自制实验教学仪器设备展示评选活动”荣获一等奖; 2015年10月参加“高等学校第十二届物理演示实验教学仪器展示”中获二等奖; 2016年7月参加“2016年全国高等学校物理实验教学自制仪器评比”中获三等奖; 2017年6月参加“高等学校第十三届物理演示实验教学仪器展”中荣获二等奖。