УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR STUDYING SOUND WAVES (VERSIONS)

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям и касается конструкции устройства, предназначенного для проведения учебных опытов в условиях типового кабинета физики общеобразовательных учебных учреждений при изучении раздела физики «Акустика».
Известна 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 и состоит из автономных узлов и деталей, не объединенных одним корпусом, что усложняет условия ее использования и хранения.
Известен учебный прибор по физике для демонстрации эффекта Допплера, 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 и имеет сложную конструкцию источника звуковой волны, находящегося за пределами остальной части устройства, 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».
Ближайшим аналогом к заявляемому устройству является 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.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию устройства, 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 при обеспечении простоты конструктивного выполнения устройства и удобства его использования.
Для достижения указанного технического результата заявляются два варианта выполнения устройства.
В соответствии с первым вариантом предлагается устройство для изучения звуковых волн, содержащее прозрачную трубку, со стороны одного из торцов которой расположен источник звука, встроенный в заглушку, закрывающую этот торец. Внутри трубки установлен с возможностью перемещения вдоль ее оси поршень, имеющий сквозной канал, через который обеспечивается возможность откачивания среды (воздуха) из трубки.
Второй торец трубки заглушен съемной пробкой, имеющей сквозное отверстие для прохода подсоединяемого к каналу поршня отвода для откачивания среды (воздуха) из трубки.
По второму варианту выполнения предлагается устройство для изучения звуковых волн, содержащее прозрачную трубку, со стороны одного из торцов которой расположена закрывающая этот торец заглушка со сквозным каналом, через который обеспечивается возможность откачивания среды (воздуха) из трубки. Внутри трубки установлен с возможностью перемещения вдоль ее оси поршень, на котором со стороны его торцевой поверхности, обращенной в сторону заглушки, закреплен источник звука.
Второй торец трубки закрыт съемной крышкой.
Оба варианта выполнения устройства характеризуются следующими развивающими и уточняющими признаками.
Устройство обеспечено средством для определения местоположения поршня в трубке.
Преимущественно трубка имеет цилиндрическую форму.
Изобретение поясняется чертежами,
где на фиг.1 изображено устройство для изучения звуковых волн по первому варианту его выполнения;
на фиг.2 - устройство для изучения звуковых волн по второму варианту выполнения.
Устройство для изучения звуковых волн, показанное на фиг.1, содержит прозрачную длинномерную трубку 1, выполненную из стекла или пластика и имеющую, преимущественно, цилиндрическую форму.
Торец 2 трубки 1 закрыт съемной заглушкой 3 в виде крышки, а второй ее торец 4 заглушен съемной пробкой 5, имеющей форму усеченного конуса и выполненной, например, из резины. В пробке 5 выполнено сквозное осевое отверстие 6. В заглушке 3 закреплены расположенные в едином корпусе 7 источник звука 8, состоящий из излучателя звука и звукового генератора, и питающая батарея. Излучатель звука 8 выставляется таким образом, что его акустическая ось совпадает с осью трубки, а генерируемые им звуковые волны направлены внутрь трубки.
Внутри трубки 1 установлен поршень 9 со штоком 10. Торцевая поверхность 11 поршня 9, обращенная в сторону источника звука 8, является звукоотражающей поверхностью. В поршне 9 образован сквозной канал 12, который сообщается с полостью 13 трубки 1. В штоке 10 выполнен канал 14, который сообщается с каналом 12 поршня. Каналы 12 и 14 расположены по оси трубки. Через эти каналы обеспечивается возможность откачивания воздуха из трубки 1. В поршне 9 предусмотрены также сквозные отверстия 15 и 16, благодаря которым обеспечивается выравнивание давления в надпоршневой и подпоршневой полостях трубки 1, что позволяет предотвратить непроизвольное перемещение поршня при негерметичности его установки в трубке. Для определения местоположения поршня 9 в трубке 1 используется соответствующее средство: либо шкала, нанесенная непосредственно на трубку 1 вдоль ее образующей, либо полоска с нанесенной на нее шкалой, закрепленная на трубке 1 вдоль ее образующей, либо отдельная не связанная с трубкой 1 линейка со шкалой.
Устройство по второму варианту выполнения, представленное на фиг.2, отличается от устройства, показанного на фиг.1, тем, что единый корпус 7 с источником звука 8 и питающей батарейкой закрепляется на поршне 9 со стороны его торцевой поверхности 17. При этом торец трубки 1, в сторону которого обращен излучатель источника звука 8, закрыт заглушкой в виде съемной пробки 18, выполненной, например, из резины. Торцевая поверхность 19 пробки 18, обращенная в сторону источника звука 8, выполнена плоской и является звукоотражающей поверхностью. В пробке 18 выполнен сквозной канал, в который встроен отвод 20, через который обеспечивается возможность откачивания воздуха из трубки 1. Второй торец трубки закрыт съемной крышкой 21, через отверстие в которой проходит шток 10.
Пользование устройством осуществляется следующим образом (примеры использования показаны с применением устройства, выполненного по первому варианту).
Пример 1.
Включают источник звука 8 и, перемещая поршень 9 вдоль трубки 1, фиксируют на шкале такое положение поршня, при котором громкость звука является максимальной. Измеряют длину звуковой волны. Звуковая волна распространяется от источника звука 8 к поршню 9 и отражается от его торцевой поверхности 11. Наблюдается эффект «стоячей волны» с чередованием амплитуд «максимум» и «минимум». Измеряют по шкале расстояние между соседними «максимумами».
Пример 2.
Включают источник звука 8 и, перемещая поршень 9 вдоль трубки 1, фиксируют на шкале такое положение поршня, при котором громкость звука является максимальной. Через канал 12 в поршне и канал 14 в штоке откачивают воздух (среду) из полости 13 трубки 1. По мере откачивания воздуха (среды) звук пропадает. На данном примере показывают, что звук распространяется только в среде и не распространяется в вакууме.
Материал деталей устройства выбирается с таким расчетом, чтобы исключить возможность поглощения звука этим материалом.
Диаметр выходного отверстия канала в поршне по первому варианту выполнения устройства и отверстие в отводе 20 по второму варианту выбираются такими, чтобы звуковые волны по возможности максимально попадали на торцевую поверхность поршня 9 и пробки 18 и не «уходили» в указанные отверстия.