技术领域
[0001] 本发明涉及驻波演示技术领域，具体涉及一种驻波演示仪。
相关背景技术
[0002] 驻波在工程中有着重要的应用，如声悬浮技术、除尘、管弦乐器制作等，因而也是大学物理机械波教学中的一个重要学习内容。其中，驻波的形成条件和波形特点，特别是半波损失与驻波形成之间的关系是该部分内容讲解的重点与难点。半波损失是指波在介质中传播时，遇到波密介质，其反射波将在界面处出现相位π突变的一种现象。然而，现有声驻波演示仪中尚未有相关研究成果能演示这一现象。若能成功演示，将有利于学生对驻波形成原因的理解，为提高课堂教学效果提供帮助。
具体实施方式
[0013] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0014] 实施例1：
[0015] 如图1所示，本发明的实施例1提供了一种驻波演示仪，包括控制装置1、扬声器2、超声雾化发生装置3、驻波演示管4以及多个不同材质的活塞式反射板5；
[0016] 所述控制装置1与所述超声雾化发生装置3电连接，所述超声雾化发生装置3与所述驻波演示管4连通，所述控制装置1与所述扬声器2电连接，所述扬声器2安装于所述驻波演示管4的一端，所述活塞式反射板5可沿所述驻波演示管4内壁滑动地安装于所述驻波演示管4的另一端。
[0017] 本发明提供的驻波演示仪，其演示原理为：控制装置1控制超声雾化发生装置3产生雾滴，雾滴进入驻波演示管4，控制装置1控制扬声器2发出声波，雾滴在驻波演示管4中受到驻波声场的辐射压作用，形成与声场辐射压强度和空间分布相匹配的雾滴凝并现象，从而实现驻波演示。
[0018] 具体的，控制装置1与超声雾化发生装置3的电连接通过电缆线101实现。
[0019] 声波在介质中传播时若遇到障碍物将产生反射现象。当声波由波疏介质进入波密介质时，反射波在界面处与入射波相比会产生相位π的突变，形成半波损失，叠加后在界面处会形成波节；反之，若声波是由波密介质进入波疏介质，则反射波与入射波之间不存在半波损失，叠加后会形成波腹。以声波在空气中的传播速度为参考，若介质中波速低于空气中速度则为波密介质；反之，则为波疏介质。表1为声波在几种常见介质中的传播速度。
[0020] 表1：0℃时声波在几种常见介质中的传播速度，单位：m/s
[0021]介质名称 空气 纯水 盐水 橡胶 软木 铜 铁
波速 332 1490 1531 30～50 480 3800 4900
[0022] 根据表1中的数据，声波在空气中传播时，橡胶相对于空气是波密介质，而软木、铜和铁等则是波疏介质。据此，将驻波演示管4中用于声波反射的活塞式反射板5使用不同材质就可以实现半波损失的实验现象演示。通过控制装置1调节声波波源频率，调节活塞式反射板5的位置，使橡胶材质的活塞式反射板5在界面附近形成波节；保持声波波源频率和活塞式反射板5位置不变，将活塞式反射板5的材质替换为软木、铜或铁等材质，可在界面附近形成波腹。活塞式反射板5材质的更换，出现波节与波腹的替换，演示了半波损失的形成条件与相应的实验现象变化。
[0023] 除了半波损失之外，本发明提供的驻波演示仪同样可以演示其他现象或进行其他声波实验。
[0024] 例如，驻波的形成演示：调节控制装置1驱动扬声器2产生0.1-10KHz的声波，经驻波演示管4右端的活塞式反射板5表面反射后与入射波叠加。当声波波源与活塞式反射板表面的间距L满足式(1)时，可以获得稳定的驻波波形。
[0025] L＝nλ/2 (1)
[0026] 其中，λ为空气中声波的波长，n＝1,2,3…。
[0027] 驻波演示管4中的雾气由于受驻波声辐射压作用，将产生凝并现象，即雾滴颗粒通过颗粒间的惯性碰撞、颗粒扩散、颗粒间的异极性吸引等使微细粒子凝并成较粗的粒子，其中雾滴在波腹处的凝并现象最强，而在波节处最弱，与驻波声辐射压的对应空间分布呈现明显差异，从而直观演示出驻波的形成过程。
[0028] 本发明将活塞式反射板5设计为可拆卸设计，使得声波的波面反射板可以更换，实现机械波在不同介质界面反射时存在半波损失的演示，并可演示半波损失存在时的条件。本发明为驻波演示仪增加了半波损失演示的功能，填补了现有声驻波演示内容的空缺。
[0029] 优选的，如图1所示，驻波演示仪还包括演示支架6，所述驻波演示管4安装于所述演示支架6上。
[0030] 通过演示支架6给与驻波演示管4稳定支撑，便于驻波现象的稳定形成，便于驻波现象的观察。
[0031] 优选的，如图2所示，所述超声雾化发生装置3包括壳体31，所述壳体31内设置有储液腔32，所述壳体31上开设有与所述储液腔32连通的补液口33，所述储液腔32的一侧安装有陶瓷换能器34，所述储液腔32内设置有导雾腔35，所述导雾腔35伸出所述壳体31外并通过导雾管351与所述驻波演示管4连通，所述陶瓷换能器34与所述控制装置1电连接，所述活塞式反射板5上开设有排气孔51。
[0032] 控制装置1中产生高频激励电流，作用于陶瓷换能器34，激发出超声波，将储液腔32中的液体雾化，激起的雾滴经导雾腔35，然后经导雾管351送入驻波演示管4，并将驻波演示管4内空气经排气孔51逐出，最终雾滴逐步填满驻波演示管4内空间，便于后续驻波的演示。
[0033] 优选的，如图2所示，所述超声雾化发生装置3还包括导气室36，所述导气室36的下侧开设有可调进气栅361，所述导气室36内设置有风扇37，所述导气室36通过导气管362与所述导雾腔35连通，所述风扇与所述控制装置电连接。
[0034] 所设导气室36，通过风扇37产生气流，风扇37通过风扇固定架371固定在导气室内。雾滴被风扇37驱动的气流所裹挟，经导雾腔35和导雾管351送入驻波演示管4中，雾滴在驻波演示管4中受到驻波声场的辐射压作用，形成与声场辐射压强度相匹配的雾滴凝并强度，演示驻波波形特征。
[0035] 优选的，如图2所示，所述导气室36内还设置有陶瓷发热体38以及第一温度传感器39，所述陶瓷发热体38以及第一温度传感器39分别与所述控制装置1电连接。
[0036] 声波作为纵波，其波速u易受环境，如湿度、温度、粉尘等影响，特别是温度。在干燥空气中，波速u与温度T的关系式为：
[0037] u＝331.3+0.606T (2)
[0038] 式中，T为摄氏温标。在0℃时，声速为331.3m/s，而在25℃时，声速变为346.5m/s。根据波长λ、波速u、波源频率f之间的关系式：
[0039] λ＝u/f (3)
[0040] 可知，声波在均匀介质中传播时波长λ与波速u成正比，且受温度影响。如1kHz的声波在驻波演示管4中传播时，当气温从0℃升至25℃时波长将由0.331m变为0.346m，形成驻波时其相邻波节间的距离将增加
[0041] 本发明在导气室36内增设陶瓷加热体38对气流进行加热，通过温度传感器39检测导气室36内温度，并通过控制装置1反馈调节加陶瓷加热体38，实现导气室36内温度的反馈调节，使得驻波演示仪可演示温度对声波在介质中传播速度的影响，实现变温测波速的演示，实现功能的多样化。
[0042] 优选的，如图3所示，所述驻波演示管4包括管体41、多个光发射头42以及与多个所述光发射头42一一对应的光接器43；
[0043] 所述超声雾化发生装置3与所述管体41连通，所述扬声器2安装于所述管体41的一端，所述活塞式反射板5可沿所述管体41内壁滑动地安装于所述管体41的另一端；多个所述光发射头42沿所述管体41的长度方向依次安装于所述管体41的一侧，所述光接器43安装于对应的所述光发射头42的对侧，每一所述光接器42处以及每一所述光发射头41处均安装有驻波演示灯珠44，多个所述光接器43以及多个所述光发射头42均与所述控制装置1电连接，所述光接器43通过驱动电路与对应的所述驻波演示灯珠44电连接。
[0044] 现有技术中在对驻波进行演示时，通常采用的方式有：通过驻波演示管中驻波声压泡沫颗粒来演示驻波演示管中声强的空间分布，该方案因泡沫颗粒较粗且质量相对较大，存在对驻波声强空间分布表现不够精细和响应迟缓等不足；通过驻波演示管中驻波声压驱动雾滴从管侧排气孔中喷出，其喷出的高度与该处驻波声压强度具有一致性，该方案的缺点在于，喷雾口要产生明显的驻波演示现象就需要大流量的雾滴来支撑，而大流量的雾滴就会在驻波演示管的进气口附近产生明显的扰流，严重影响到演示效果，且在喷雾口处的雾滴因外空间快速扩大，雾滴的蒸发速度快、体积变小快，对光线的折射率和反射率影响降低快，不利于演示现象的观察；还有一种方式是沿驻波演示管管纵向安置感音条，采集驻波管中声强的空间分布，将其转化为发光二极管亮度的相应变化，用来演示驻波声强的空间分布规律特点，该方案的缺点在于很容易受到演示环境的外界噪音干扰，存在抗干扰性弱的不足。
[0045] 本发明利用超声雾滴对光有明显遮蔽效果这一特点，设置光发射头42以及对应的光接器43，利用光电检测凝并后的雾滴透射率。由于管体41中的雾滴受驻波声辐射压作用产生凝并，形成不同的光透射率，管体41中光透过率随驻波声辐射压有明显的空间分布差异。通过检测光透射率，并将透射率的空间分布转化为相应的不同驻波演示灯珠44发光强度的变化，强化驻波现象的演示。
[0046] 使用光检测驻波管体41内雾滴浓度受驻波凝并作用带来的遮蔽作用，即检测透射率改变，来演示管体41中的驻波辐射压空间分布情况，可解决用喷雾高度演示驻波需要大量雾滴和现象演示不明显的不足，也解决了使用感音条在捕捉驻波声强变化过程中易受外界环境干扰的不足。进一步的，根据透射率的变化驱动相应位置的驻波演示灯珠44亮度变化，演示声波在驻波演示管4中的驻波辐射压的空间分布情况，可以提高演示过程的抗干扰性和实验现象表现力，使得实验结果易于观察。
[0047] 具体的，用光检测驻波演示管中各处雾气的透射率，将检测信号强度转化为电信号，经驱动电路进行等比例放大，驱动各驻波演示灯珠发光，即可产生与该处驻波强度相对应的亮度变化，完成驻波演示。
[0048] 本发明采用光电信号对超声雾滴进行浓度检测，需要的雾滴量较少，且可以有效地避免外界环境噪声等的干扰；通过驻波演示灯珠44对检测结果进行显示，现象演示结果明显，实验现象表现力强，实验结果易于观察。
[0049] 优选的，如图3所示，所述管体41内设置有第二温度传感器45，所述第二温度传感器45与所述控制装置1电连接。
[0050] 在管体内设置温度传感器45，实现管体41内温度数据的获取，可用于温度对波长、波速的影响等实验的应用与演示。
[0051] 优选的，如图3所示，所述活塞式反射板5朝向所述驻波演示管的一侧安装有刻度尺52。
[0052] 上面已经提到，声波在传播过程中波长λ与波速u成正比，且受温度影响，当气温从0℃升至25℃时波长将由0.331m变为0.346m，形成驻波时其相邻波节间的距离将增加[0053]
[0054] 这种变化可借助于驻波演示管4中的刻度尺52来标定。
[0055] 另外，借助于驻波现象，还可通过刻度尺52对波长λ进行测定。
[0056] 优选的，如图3所示，所述刻度尺52上安装有多个背景照明灯珠53。
[0057] 安装在驻波演示管4内部的背景照明灯珠53，可辅助照明驻波演示管4中各处的雾滴空间浓度的动态变化情况，演示驻波的空间分布特征。且背景照明灯光53的存在和雾滴浓度的动态变化都能有效提高驻波的演示效果。
[0058] 优选的，如图3所示，所述活塞式反射板5背向所述驻波演示管的一侧安装有手柄54。
[0059] 增设手柄54，方便活塞式反射板5的推拉。
[0060] 优选的，如图4所示，所述控制装置1包括控制器、电源开关11、多个旋钮以及显示屏，所述电源开关11、多个旋钮以及显示屏分别与所述控制器电连接。
[0061] 多个所述旋钮分别为输出扬声幅度控制旋钮12、扬声输出调频控制旋钮13、气雾量旋钮14、风扇转速调节旋钮15以及背景调光旋钮16；所述显示屏包括频率显示屏19、第一温度显示屏181以及第二温度显示屏182，所述控制装置还包括机壳10，所述控制器设置于所述机壳10内，图中未标示出控制器。
[0062] 为更清楚的描述本发明提供的驻波演示仪的使用方法，以下列举几种常见的应用实施：
[0063] 应用实例1：
[0064] 驻波演示。启动控制装置1的电源开关11，调节气雾量旋钮14、风扇转速调节旋钮15改变风扇37的转速，调节水雾浓度，并经导雾管351将超声雾化发生装置3产生的水雾充入驻波演示管4中。调节输出扬声幅度调节旋钮12和扬声输出频率调节旋钮13使扬声器2发出的声波能在驻波演示管4中形成稳定的驻波，完成驻波的演示。
[0065] 应用实例2：
[0066] 驻波形成条件的演示。调节扬声输出频率控制旋钮13或移动驻波演示管4中活塞式反射板5的位置，可在驻波演示管4中形成稳定的驻波现象。缓慢调节扬声输出频率控制旋钮13，可以看到随频率的变化驻波的形成条件遭到破坏，当再次形成稳定的驻波波形时，驻波相邻波节间的距离随频率的升高而变短，随频率的降低而变长。当保持频率不变时，改变活塞式反射板5的位置将会破坏驻波的形成；只替换不同材质的活塞式反射板5，驻波的波形有时会变，有时不会变，这与反射面处活塞式反射板5的材质为波密介质或波疏介质有关。上述演示表明，驻波的形成与声波的频率f、波源到反射面距离l及反射面材质均有关。
[0067] 应用实例3：
[0068] 半波损失的演示。启动控制装置1的电源开关11，调节气雾量旋钮14和风扇转速调节旋钮15，将水雾充满驻波演示管4。调节扬声输出幅度控制旋钮12和扬声输出频率控制旋钮13，改变扬声器2发出的声波频率，或调节活塞式反射板5的位置，使橡胶材质的活塞式反射板5界面附近形成波节，在驻波演示管4中能形成稳定的驻波现象。保持波源频率和活塞式反射板5位置不变，将活塞式反射板5的材质替换为软木、铜或铁等材质，将在界面附近形成波腹，演示半波损失的形成条件与现象。
[0069] 应用实例4：
[0070] 温度变化对波长的影响。启动控制装置1的电源开关11，调节气雾量旋钮14和风扇转速调节旋钮15，将水雾充满驻波演示管4。调节扬声输出幅度控制旋钮12和扬声输出频率控制旋钮13，改变扬声器2发出的声波频率，使驻波演示管4内能形成明显的驻波波形。记录下此时驻波演示管4内第二温度传感器45检测到的温度T1及各波节点、波腹点的中央位置刻度，计算出声波的波长λ1。接通陶瓷发热体38的电源，加热经进风口的气流，当温度T1逐渐变化时，可以发现驻波的形成条件逐渐被打破。当温度T1稳定在某个新值以后，移动活塞式反射板5到一个合适的位置，可以重新形成明显的驻波，但相邻驻波波节的间距会产生变化：温度升高时，间距变大；温度降低时，间距变小。
[0071] 以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
