УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН
TEACHING SET FOR ACOUSTIC WAVES ANALYSIS

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям и касается конструкции комплекта, предназначенного для проведения, в условиях типового кабинета физики общеобразовательных учебных учреждений, учебных опытов и демонстрационных экспериментов, посвященных основным понятиям волновых процессов, изучению распространения и отражения продольных упругих волн, знакомству с такими явлениями, как интерференция и дифракция, акустический резонанс и биения звуковых колебаний.
Известен учебный прибор для демонстрации эффекта Доплера, содержащий несколько источников звука, трубку с приемником звука и поршнем и приспособление для определения местоположения поршня. Источники звука помещены на ободе поворотного диска с коллектором и связаны с указанным коллектором, обеспечивающим их периодическое включение (см. SU 355645). Устройство предназначено для демонстрации только одного конкретного акустического эффекта, при этом необходимо обеспечить и поддерживать в процессе работы прибора точную установку источника звуковой волны относительно торца трубки, что усложняет условия пользования прибором.
Известно устройство для демонстрации явления постоянной звуковой волны, состоящее из прозрачной трубы с находящимися внутри нее микрочастицами. Один конец трубы закрыт, а другой обеспечен излучателем звука, связанным с генератором звукового сигнала, расположенным за пределами трубы (см. CN 201060582). Возможности устройства ограничены демонстрацией только одного из опытов раздела физики «Акустика».
Известен прибор для проведения демонстрационных акустических опытов, содержащий прозрачную цилиндрическую трубу с нанесенной на нее измерительной шкалой, опирающуюся на держатели. Один из торцов трубы заглушен, а на другом торце установлен источник звука, связанный со звуковым генератором, расположенным за пределами трубы (см. CN 101488296). Прибор (так же, как и устройство по CN 201060582) имеет ограниченные демонстрационные возможности.
Ближайшим аналогом к заявляемому устройству является 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 (см. патент RU 2084964). Установка имеет сложную конструкцию, неудобную в пользовании, и не обеспечивает широкий спектр постановки опытов при изучении звуковых явлений.
Общим недостатком для указанных аналогов является отсутствие в составе известных конструкций современного средства отбора данных, обработки данных и отображения результатов исследования звуковых явлений, что усложняет и затрудняет процесс обработки полученных при проведении опытов данных.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию современного учебного комплекта, предназначенного для использования на занятиях по физике при демонстрации различных опытов по изучению звуковых волн.
Технический результат, который достигается при использовании заявляемого изобретения, заключается в расширении демонстрационных возможностей устройства, в повышении удобства в пользовании комплектом и в повышении качества проведения опытов с получением максимально точных результатов, а также в упрощении обработки этих результатов. В результате значительно повышается эффективность обучения при изучении раздела физики «Акустика».
Для достижения указанного технического результата предлагается учебный комплект для изучения звуковых волн, который содержит, по меньшей мере, один источник звука, по меньшей мере, два чувствительных элемента, каждый из которых представляет собой микрофон с круговой диаграммой направленности, и электронный преобразователь, связанный с компьютером и предназначенный для обработки электрических сигналов, поступающих от микрофонов, и преобразования их в цифровой вид по заданному алгоритму, при этом микрофоны подсоединены к электронному преобразователю посредством длинномерных кабелей.
Каждый микрофон имеет элемент крепления на магнитной доске.
Благодаря использованию в заявляемом комплекте малогабаритных чувствительных элементов с круговой диаграммой направленности, снабженных длинномерными кабелями, значительно облегчаются манипуляции чувствительными элементами. Чувствительные элементы свободно перемещаются в пространстве самим учащимся как относительно друг друга, так и относительно источника (источников) звука и улавливают звуковые колебания по всему периметру микрофонов. Это позволяет значительно расширить диапазон проводимых опытов, обеспечивая максимальные удобства для их проведения. Подключение чувствительных элементов через электронный преобразователь к компьютеру исключает необходимость проведения учащимся целого ряда измерений, вычислений и построений, которые в предлагаемом приборе осуществляются при помощи заложенной в компьютер программы.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен предлагаемый учебный комплект;
на фиг.2 - схема электронного преобразователя;
на фиг.3-11 - поясняющие рисунки к примерам использования предлагаемого комплекта.
Предлагаемый учебный комплект содержит источник звука, подключенный к звуковому генератору колебаний, по меньшей мере, два идентичных чувствительных элемента и единый электронный преобразователь, связанный с компьютером.
Конкретно в описании конструктивное выполнение учебного комплекта показано на примере использования двух чувствительных элементов, в качестве которых использованы микрофоны 1 и 2 с круговой диаграммой направленности (всенаправленные). Такой микрофон практически не имеет осевой окраски. По сравнению с микрофонами с кардиоидной или гиперкардиоидной диаграммой направленности, при использовании которых необходимо очень тщательно следить за тем, чтобы микрофон все время находился в одном положении относительно источника звука, при использовании микрофона с круговой направленностью подобных проблем не возникает (т.е. он не требует постоянного перенацеливания на источник звука).
Микрофон с круговой направленностью отличается исключительной четкостью звукопередачи, большим динамическим диапазоном, ровной амплитудно-частотной характеристикой.
Конструкция и принцип его действия достаточно просты.
Звуковые колебания заставляют «дрожать» тонкую упругую мембрану, которая механически связана с электрическим контуром, состоящим из тонкого медного провода. Внутри обмотки расположен магнитный сердечник. При движении обмотки относительно магнита в катушке возникает электрический ток. В результате механические колебания мембраны преобразовываются в электрические. Амплитуда их очень мала, и они нуждаются в значительном усилении.
Каждый микрофон 1, 2 снабжен установочным элементом (магнитом) 3, обеспечивающим крепление микрофона на специально предусмотренной магнитной доске или на классной доске с металлической основой.
Длинномерные кабели 4 и 5 микрофонов 1 и 2 подведены к узлу 6 и заведены на плату электронного преобразователя через единое отверстие 10 в корпусе 7. Длинномерные кабели 4, 5 позволяют разнести микрофоны 1, 2 любым необходимым образом в пространстве. Микрофоны 1, 2 с подсоединенными к ним кабелями 4, 5 и электронный преобразователь вкупе образуют двухканальный датчик звука.
Электронный преобразователь предназначен для обработки электрических сигналов от микрофонов и преобразования их в цифровой вид. Внутри корпуса 7 электронного преобразователя расположены усилители 12 и 13, которые через фильтры 14 и 15 связаны с АЦП 16, встроенные в контроллер 17. АЦП - аналого-цифровой преобразователь (блок, преобразующий входной аналоговый сигнал (электрическое напряжение) в дискретный код - цифровой сигнал).
Контроллер 17 связан с преобразователем интерфейсов 18, выведенным на гнездо 11, к которому подключается мини-компьютер (не показан) с необходимым программным обеспечением.
От источников звука звуковые колебаний поступают в микрофоны 1, 2, где преобразуются в электрические сигналы, поступающие в электронный преобразователь. Здесь поступившие сигналы усиливаются (в усилителях 12, 13) до необходимого значения, фильтруются от шумов (проходя через фильтры 14, 15), оцифровываются, преобразуясь в вид, удобный для обмена, и отправляются через преобразователь интерфейсов в компьютер. (В преобразователе оцифрованный сигнал с двух независимых каналов с некоторой степенью синхронизации формирует пакет данных, в котором чередуются значения первого и второго канала.)
Далее показаны отдельные примеры использования комплекта.
Пример 1. Измерение длины волны, частоты и скорости звука в воздухе (Рис.1)
Линейку, составленную из элементов «0-50» и «50-90», устанавливают горизонтально в 20-30 см от верхней кромки классной доски и ближе к ее правому краю. Один микрофон располагают на нулевой отметке линейки, а другой - на отметке «90». Источник звука устанавливают, так чтобы микрофоны оказались на оси распространения звука.
Включают генератор, устанавливают на нем частоту примерно 1 кГц (диапазон частот 1-10 кГц) и максимальную амплитуду сигнала. Источник звука начнет излучать прерывистый звуковой сигнал.
В компьютерной программе выбирают сценарий «Измерение длины волны, частоты и скорости звука в воздухе».
Нажмите экранную кнопку «Проведение измерений», а затем - кнопку «Пуск» экрана монитора. На экране возникнет осциллограмма, по которой рекомендуется подстроить частоту генератора, чтобы длина волны равнялась 30 см, и уточнить положение источника звука таким образом, чтобы амплитуда сигнала, регистрируемая первым микрофоном, была близкой к максимально возможной для регистрации. Для этого плавно повышают частоту генератора до тех пор, пока не увидят на экране совпадение фаз колебаний. Это произойдет на частоте примерно 1.15 кГц. Перемещают микрофон с отметки «90» на отметку «0». Фазы сигналов, регистрируемые микрофонами, при этом будут совпадать (микрофоны находятся в одной точке в направлении распространения волны). Плавно смещая микрофон, находящийся сверху от линейки, обращают внимание учащихся на появление сдвига фаз между сигналами и задержку в возникновении второго сигнала на экране. Появление сдвига фаз и задержки сигнала на втором канале связаны с тем, что теперь звуковая волна достигает второго микрофона несколько позже, чем первого. Продолжают смещать микрофон до тех пор, пока на экране не возникнет осциллограмма, демонстрирующая совпадение фаз измеряемых сигналов. Расстояние между микрофонами при этом будет соответствовать длине звуковой волны (согласно определению длины волны).
Пример 2. Распространение звуковой волны (Рис.2-4)
В эксперименте рассматривается распространение звуковой волны, излучаемой установленным на классную доску источником. В первой части опыта демонстрируется зависимость направленности излучаемых источником волн от частоты и показывается, что на низких частотах (менее 1 кГц), когда размеры источника становятся меньше длины волны, можно считать, что волны излучаются во всех направлениях одинаково, т.е. однородно заполняют пространство, ограниченное плоскостью доски и плоскостью диффузора источника (имеются в виду волны, излучаемые динамиком «вперед»).
Устанавливают источник на расстоянии около 20 см от левой кромки классной доски и на одинаковом расстоянии от ее верхнего и нижнего края. Вплотную к его платформе горизонтально устанавливают линейку (0-50) и продолжают ее линейкой (50-90). Две линейки (0-50) располагают вертикально вплотную к платформе источника, так чтобы их нулевые отметки совпадали. Микрофоны размещают на отметке «20 см» горизонтальной линейки.
Включают генератор, устанавливают на нем частоту около 800 Гц и максимальную амплитуду сигнала. В компьютерной программе выбирают сценарий «Распространение звуковой волны». Нажимают экранную кнопку «Проведение измерений» и кнопку «Пуск», начинающую регистрацию данных. На экране возникнет индикатор амплитуды звуковых колебаний в виде двух столбиков, наложенных друг на друга. Измеряемые сигналы примерно одинаковы в силу выполненной предварительной настройки. Переставляют датчик, находящийся выше горизонтальной линейки, сначала на одну из вертикальных линеек, а затем на другую. В обоих случаях следует располагать датчик на том же самом расстоянии от источника, что и датчик, оставшийся на горизонтальной линейке. Соотношение сигналов в обоих случаях останется примерно одинаковым, что будет говорить о том, что звуковая волна излучается во всю правую полуплоскость одинаково по всем направлениям. Повторяют измерения, переставив микрофоны на отметку «40». Кроме того, в подтверждение высказанного утверждения об отсутствии выделенных направлений в распространении звуковой волны поворачивают одну из вертикальных линеек на произвольный угол и сравнивают полученные значения амплитуды колебаний с амплитудой на осевой линии источника (горизонтальная линейка). Возвращают оба микрофона на отметку «40» горизонтальной линейки, увеличивают частоту генератора до 5 кГц и выполняют аналогичные действия. Результатом опыта будет наблюдение преимущественного излучения звука «вперед» по отношению к источнику (амплитуда звуковых колебаний, регистрируемая на горизонтальной линейке, будет существенно больше).
Пример 3. Отражение звуковых волн (Рис.5)
В эксперименте демонстрируется явление отражения звуковой волны и рассматривается влияние характера поверхности на поглощение звука, приводящее к снижению амплитуды отраженного сигнала. Излучаемые источником звуковые волны направляются на один из микрофонов с помощью дополнительного (не входящего в комплект) экрана, который размещают в зоне распространения волн. Входящий в комплект экран используется в данном опыте для того, чтобы исключить попадание звуковой волны в микрофон непосредственно от источника. Второй микрофон используется для контроля падающей звуковой волны и запуска регистрации сигнала. Источник периодически включается на короткое время, генерируя волновые пакеты.
Устанавливают вдоль верхней кромки классной доски две линейки (50-0) и (0-50), еще одну линейку (50-0) размещают вертикально и вдоль нее ставят экран, закрепленный на платформе с магнитами. Источник и один из микрофонов помещают на доске симметрично относительно экрана. Второй микрофон размещают примерно под источником на расстоянии 50 см от верхней линейки. Именно в этой области будет в дальнейшем размещаться экран, отражающий звуковые волны, и будет зарегистрирована амплитуда падающей на него волны. Датчик звука, который находится в верхней части доски, будет использоваться для регистрации отраженного сигнала. Включают генератор, устанавливают на нем частоту 5 кГц и максимальную амплитуду сигнала. Источник начинает периодически излучать короткие звуковые импульсы. В разделе компьютерной программы выбирают сценарий «Отражение звуковых волн». Нажимают экранную кнопку «Проведение измерений» и кнопку «Пуск», начинающую регистрацию данных. На экране возникнет индикатор амплитуды звуковых колебаний в виде столбиков. Столбик одного цвета представляет сигнал с микрофона, контролирующего падающую волну, его величина будет практически неизменной при проведении опыта. Внутри него столбик другого цвета будет показывать величину отраженного сигнала. Значения измеряемых сигналов будут представлены также на цифровых индикаторах соответствующих цветов.
Снимают экран с доски и обращают внимание на рост сигнала, регистрируемого датчиком. Возвращение экрана на место приведет к практически полному исчезновению сигнала. Таким образом, датчик находится в области тени, создаваемой экраном, и прямая звуковая волна датчика не достигает.
Опираясь на деления линеек, обращают внимание учащихся на равенство угла падения звуковой волны на экран и угла, под которым отражаются попадающие в датчик звуковые волны. Поворачивают экран на небольшой угол сначала по направлению к источнику, а потом по направлению к датчику звука (микрофону), и демонстрируют учащимся, что регистрируемая датчиком амплитуда колебаний при этом заметно уменьшается. Причиной этого является уход отраженной волны в сторону от датчика.
Пример 4. Наложение звуковых волн (Рис.6-8)
Цель опыта - продемонстрировать явление интерференции звуковых волн в наиболее простом случае (линейной геометрии) - при наложении волн двух источников, расположенных в непосредственной близости друг от друга.
В данном опыте явление интерференции рассматривается на примере сложения колебаний от двух источников звука в простейшей геометрической конфигурации, когда источники расположены рядом друг с другом и генерируют волны с одинаковыми или противоположными фазами. При этом расстояния от каждого из источников до точки регистрации одинаковы. В процессе опыта показывается, что в рамках точности измерений амплитуда результирующей волны равна сумме амплитуд исходных волн при совпадении фаз колебаний в точке регистрации и соответствует разности амплитуд при сдвиге фаз. При проведении опыта необходимо регистрировать звуковые волны, создаваемые каждым из источников по отдельности, а также совместно. Амплитуда излучаемых ими волн должна при этом оставаться постоянной. Для этого оба источника на протяжении всего опыта должны быть подключены к генератору (отключение одного из динамиков изменяет нагрузку генератора, что сказывается на амплитуде сигнала). Поэтому источник, не участвующий в проводимых измерениях, удаляется от датчика звука на достаточное расстояние.
В зоне эксперимента вплотную друг к другу устанавливаются два источника, а линейка 0-50 размещается таким образом, чтобы ее нижняя кромка служила осью симметрии для источников. Включают генератор, устанавливают на нем частоту около 1 кГц и максимальную амплитуду сигнала. В компьютерной программе выбирают группу сценариев «Интерференция звуковых волн», а внутри нее - сценарий «Наложение звуковых волн».
Нажимают экранную кнопку «Проведение измерений» и кнопку «Пуск». Поскольку генератор включен, на экране сразу возникает осциллограмма, на которой звуковой сигнал представлен линией цвета, а электрический - линией другого цвета.
Переставляют оба источника в правый нижний угол доски. При этом звуковой сигнал на экране будет практически нулевым на протяжении почти всего экрана. Такой характер сигнала показывает, что звук от источников, расположенных внизу доски слева, достигает датчика в правой верхней части доски только в самом конце развертки. Таким образом, можно считать, что основная область экрана свободна от звука, идущего от отставленных в нижний левый угол доски источников, и может быть использована для измерения амплитуды сигнала от источников, выставленных в зону эксперимента.
Устанавливают один из источников к левому концу линейки. На экране возникнет синусоидальный звуковой сигнал, амплитуда которого окажется меньше, чем было при двух установленных рядом источниках. Устанавливают другой источник к нулевой отметке линейки, а первый возвращают в левую нижнюю область доски. Точно так же, как в предыдущем случае, фиксируют амплитуду звукового сигнала. Обращают внимание учащихся на то, что разность фаз между звуковым и электрическим сигналами не изменилась.
Смещают второй источник вплотную к первому и получают на экране осциллограмму звуковых колебаний. Полученную амплитуду звуковых колебаний сравнивают с суммой амплитуд колебаний, полученных для каждого источника по отдельности. Обращают внимание учащихся на то, что фазы звуковых колебаний на осциллограммах при работе каждого из источников отдельно были одинаковы. Это вполне понятно, поскольку расстояния от источников до точки наблюдения (датчика) совершенно одинаковы и фазы колебаний самих источников совпадают. Таким образом, при совпадении фаз интерферирующих волн результирующая амплитуда в точке наблюдения равна сумме амплитуд колебаний от каждого из источников.
Пример 5. Стоячие звуковые волны (Рис.9)
Цель опыта - продемонстрировать свойства стоячей звуковой волны, в частности показать, что длина стоячей волны в 2 раза меньше длины бегущей волны, что частицы среды, находящиеся между соседними узлами, колеблются в одной и той же фазе, но с разными амплитудами и что при переходе через узел фаза колебаний изменяется на противоположную.
В данном эксперименте стоячая волна создается с помощью двух источников, поставленных напротив друг друга и колеблющихся с совпадающими фазами. Такая схема опыта позволяет в достаточной степени компенсировать влияние отличий реальной звуковой волны от плоской, на базе которой обычно проводится теоретическое рассмотрение данного явления. В эксперименте используется осциллографическая регистрация звуковой волны, позволяющая получать информацию не только об амплитудах колебаний в заданных точках, но и сопоставлять фазы этих колебаний.
Недалеко от верхней кромки классной доски горизонтально устанавливают линейку, составленную из элементов «50-0» и «0-50». Один из источников располагают под линейкой на отметке «-30 см», а другой - на отметке «+30 см». Здесь имеется в виду координата диффузора источника, а не положение края платформы. Один из датчиков звука размещают на отметке «-15 см», а другой - на отметке «+15 см». Подключают датчик к соответствующим разъемам компьютера.
Включают генератор, установите на нем частоту около 900 Гц, уровень сигнала 1500, длительность 10 мс, паузу 1000 мс и максимальную амплитуду сигнала. Источники начнут включаться на короткие промежутки времени.
В компьютерной программе выбирают сценарий «Стоячие звуковые волны».
Нажимают экранную кнопку «Проведение измерений» и кнопку «Пуск», начинающую регистрацию данных. На экране возникнут две осциллограммы. Отключают правый динамик и, плавно изменяя частоту генератора, добиваются совпадения фаз сигналов на экране. Это будет означать, что длина бегущей волны составляет 30 см. После этого возвращают правый источник на отметку «30 см». Амплитуда «красного» сигнала на экране при этом существенно возрастет, а фазы сигналов по-прежнему остаются одинаковыми. Между источниками формируется стоячая волна, которая должна иметь пучности в точках «-15 см», «0 см», «15 см» и узлы в точках «-22,5 см», «-7,5 см», «7,5 см», «22,5 см».
Поскольку оба датчика находятся в «не соседних» пучностях, то обращают внимание учащихся на совпадение фаз колебаний в этих точках. В силу симметрии расположения источников и датчиков амплитуды звуковых колебаний в этих точках должны быть примерно одинаковы. Переносят правый датчик вплотную к левому, при этом он должен оказаться на отметке «-12 см». Осциллограмма при этом покажет совпадение фаз колебаний. Плавно передвигают правый датчик в положительном направлении линейки. Амплитуда его сигнала при этом будет уменьшаться (происходит удаление от пучности), а фаза будет оставаться практически неизменной вплоть до окрестности узла стоячей волны. После прохождения области узловой точки (которая заканчивается примерно на отметке «-5,5 см») фаза сигнала «подвижного» датчика изменится на противоположную, что является подтверждением одного из основных свойств стоячих волн. Амплитуда сигнала будет возрастать и достигнет максимума в точке с координатой «0». При дальнейшем перемещении «подвижного» датчика вправо будет пройдена область следующей узловой точки (5,5-9 см), после чего фаза колебаний подвижного датчика вновь начнет совпадать с фазой колебаний датчика, находящегося на отметке «-15 см», а после установки подвижного датчика в точку «15 см» амплитуда его сигнала достигнет максимального значения. Таким образом, изменение амплитуды и фазы колебаний в стоячей волне регистрируется в данном опыте на расстоянии больше 30 см, которое равно длине «бегущей» звуковой волны. При этом подтверждено существование узлов на отметках «-7,5 см», «7,5 см» и пучностей в точках «-15 см», «0 см», «15 см», т.е. показано, что длина стоячей волны (расстояние между соседними пучностями или соседними узлами) равна половине длины волны «бегущей».