一种超声波压强可视化演示仪的制作方法

1.本发明属于教学实验设备技术领域，具体涉及一种超声波压强演示仪。


背景技术：

2.声波有压强，这个特性有广泛的应用，但由于可听声携带能量小，课堂上无法让学生对这个知识点有直观的了解。如何让学生很好的理解和记住这个知识点，一直以来，这是物理教学中的一个难点。
3.本发明设计的仪器用超声波换能器组成阵列，利用各换能器间的声波叠加，大大加强声波能量，从而可在声波传播路径上推起较轻物体（纸片、泡沫片等），通过物体倾斜的角度，可定性演示出声波压强的存在以及波动的强弱。本仪器在中学、大学物理课堂上均可使用，且效果震撼，说服力强、印象深刻，填补了教学演示中的空白。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种体积小、携带方便、操作简单，稳定性好、趣味性强的声波压强演示仪，可以在课堂上清晰、明了的演示声波压强的存在。
5.本发明提供的声波压强演示仪，其结构如图1所示，由超声波声源1、声压演示体2、电源3三部分组成。其中：所述超声波声源，如图2所示，声源由超声波换能器阵列4及支架5组成，超声波换能器组阵采用40khz的小型超声波换能器，紧密排列呈圆形阵列或六边形矩阵；支架采用硬质材料，将超声波换能器阵列支起高出桌面18-25cm。
6.所述声压演示体，如图3，由演示物6及用于悬挂演示物的支架7组成，演示物为轻薄的片状物体（如纸张、泡沫板、丝绸等），以一定倾斜角度来体现，面积略小于超声波换能器阵列，支架7亦采用硬质材料，高度要使得演示物的高度与换能器阵列上端的高度近似或相等，用于固定演示物体。
7.所述电源，由信号源和功率放大器组成，用于向换能器阵列提供40khz的电信号；强度连续可调。
8.实验中，将电源与超声波阵列连接，阵列放在一个支架上，组成波源的各换能器间超声波相互叠加，发射强度较高，指向性好的超声波，在阵列正前方的支架上，垂直悬挂轻薄片状演示物，当超声波传到薄片所在处，由于波动压强的作用，薄片将呈倾斜漂浮状，这是被超声波的压强推动的结果。波的强度越大，纸片倾斜的角度越大，借此将声波压强的存在展示出来。
9.本声压演示仪采用超声波换能器组阵，获得了强度较高的波列，从而为压强的可视化提供条件。本声压演示仪采用轻质材料的薄片来演示声压的存在，使得实验现象生动有趣，有说服力。 实验中，通过调节电源输出的大小，即可改变输出波的强度，波动越强，演示物体的倾斜角度越大，从而定性说明声波压强的存在，以及压强的大小与声波振幅有关。
10.本仪器体积小，携带方便、操作简便，稳定性好，将微观过程宏观化，趣味性强，适
合携带到课堂作随堂演示。
附图说明
11.图1为本声压演示仪结构图。
12.图2为超声波波源结构图。
13.图3为演示部分结构图。
14.图中标号：1为超声波波源，2为声压演示，3为电源，4为超声波换能器阵列，5为超声波换能器阵列支架，6为演示物体，7为演示物支架。
具体实施方式
15.声波压强演示仪结构如图1所示，其由超声波声源1、声压演示2、电源3等三部分组成。其中：超声波声源如图2所示，声源由超声波换能器阵列4及支架5组成，超声波换能器组阵采用40khz的小型超声波换能器，紧密排列呈圆形阵列或六边形矩阵，换能器的数量可从几十个到几千个，依据演示物的重量做调整，换能器固定在印刷线路板上，各换能器彼此间通过串并联的方式与功放的阻抗匹配，整个阵列下方安装有一根细杆；支架采用硬质材料，形状倒丁字，竖管中空，可将超声波换能器阵列下方的细杆插入，将阵列支起高出桌面20cm，这样可以避免桌面对波动传输的干扰。
16.声压演示部分如图3，由演示物6及支架7组成，演示物由比较轻的纸片或泡沫板组成，面积略小于超声波换能器阵列，支架采用硬质材料制成矩形，竖直方向的两根立柱不宜太粗，以免影响波的传播，高度要使得演示物的高度与换能器阵列上端的高度近似相等，演示物体用细绳悬挂在支架下方，薄片的中心与阵列中心近似等高。
17.电源由信号源和功率放大器组成，信号源输入220v的交流电，输出40khz的信号给功率放大器，功放向换能器阵列提供40khz的电信号。
18.实验时，电源向换能器阵列提供40khz的电信号，组成波源的各换能器间超声波相互叠加，发射强度较高、指向性好的超声波，将演示物悬挂于超声波传播的路径上，打开电源，则纸片或泡沫等轻质物体就会呈倾斜的漂浮状态，这是被超声波的压强推动的结果。
19.实验中，通过调节电源输出的大小，即可改变输出波的强度，波动越强，演示物体的倾斜角度越大，从而定性说明声波压强的存在，以及压强的大小与声波振幅有关。


技术特征：
1.一种超声波压强可视化演示仪，其特征在于，由超声波声源、声压演示体、电源三部分组成；其中：所述超声波声源，由超声波换能器阵列及支架组成，超声波换能器组阵采用40khz的小型超声波换能器，紧密排列呈圆形阵列或六边形矩阵；支架采用硬质材料，将超声波换能器阵列支起高出桌面18-25cm；所述声压演示体，由演示物及用于悬挂演示物的支架组成，演示物为轻薄的片状物体，以一定倾斜角度来体现；所述支架亦采用硬质材料，高度要使得演示物的高度与换能器阵列上端的高度近似或相等；所述电源，由信号源和功率放大器组成，用于向换能器阵列提供40khz的电信号，强度连续可调。

技术总结
本发明属教学实验设备技术领域，具体为一种超声波压强可视化演示仪。本演示仪由超声波声源、声压演示、电源三部分组成。其中声源由超声波换能器阵列及支架组成，超声波阵列由超声波换能器密集排列而成；声压演示体是用悬挂在支架上的轻薄片状物体的倾斜角度来体现，电源由信号源和功率放大器组成。实验中，将电源与超声波阵列连接，组成波源的各换能器间超声波相互叠加，发射强度较高、指向性好的超声波，当超声波传到薄片处，由波动压强的作用，薄片将呈倾斜漂浮状，这是被超声波的压强推动的结果。波的强度越大，纸片倾斜的角度越大，借此将声波压强的存在展示出来。本仪器体积小，携带方便，将微观过程宏观化，趣味性强，适合课堂演示。示。示。


技术研发人员：马建敏 吕景林
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2021.12.11
技术公布日：2022/3/4