一种驻波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，具体涉及一种驻波演示仪。


背景技术：

2.波动理论指出，满足振幅相同、波速大小相同、方向相反的两列相干波叠加会形成驻波，其特点为空间各点振幅不再相同，而是逐点周期变化，有些点的振幅为零，有些点的振幅为相干波振幅的2倍。由于驻波的理论比较抽象，学生在理解上会有困难，驻波这个知识点一直是物理教学中的一个难点。将驻波的存在演示出来，将大大有助于知识的理解和记忆。
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得到一束较强波动，同时在波的传输路径上放置一块金属板，声波在金属板处被反射，则在声源与反射板之间入射波与反射波叠加形成驻波，在驻波存在区域放置易产生白雾的物品（如液氮、干冰等），则可看到本来均匀分布的白雾在垂直于入射波传播方向上被分割成周期的区域，波节附近有白雾堆积，波腹附近白雾被推开。本仪器在中学、大学物理课堂上均可使用，且现象新颖有趣，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、趣味性强的驻波可视化演示仪，可以在课堂上清晰、明了的演示驻波的存在。
5.本发明提供的一种驻波可视化的演示仪，其结构参见图1所示，由超声波波源1、反射板2、驻波显示物3、支架4、电源5五部分组成；其中：所述超声波波源1，如图2所示，波源1是由超声波换能器组成的阵列，具体是由工作频率为40khz的小型超声波换能器紧密排列组成的圆形阵列或六边形阵列，阵列下方安装有一根细杆。
6.所述反射板2，如图3所示，反射板为金属材质，形状和外观尺寸与超声波阵列外观相同，下方装有与超声波阵列相同的细杆。
7.所述驻波显示物3，如图4所示，包括一容器以及置于容器中容易引起白雾的物体（例如液氮或干冰等），用于显示驻波 。
8.所述支架4，如图5所示，支架4包括底板6，套管a7，套管b8，载物平台9。套管a、套管b完全相同，在底板上对称放置，相距45-50cm，高度不少于10cm，套管中空，孔径等于超声波阵列下方细杆的直径，使该细杆恰好可以插入套管；载物台位于a、b套管之间靠近中间位置，载物台与套管等高。
9.所述电源5，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。
10.实验时，将换能器阵列及反射板分别插入a、b套管中，在载物台上放置任意容器，并放入液氮或干冰，连接电源和超声波换能器阵列，打开电源，换能器阵列发射40khz的超声波，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，波动传
播中遇反射板，在阵列和反射板间形成驻波，此驻波使得本来均匀分布的白雾在垂直于入射波传播方向上被分割成周期的区域，波节附近有白雾堆积，波腹附近白雾被推开，从而演示驻波的存在。
11.本驻波演示仪采用超声波换能器组阵，获得了强度较高的波列，从而为驻波的可视化提供条件。本声压演示仪采用液氮或干冰来演示驻波的存在，使得实验现象生动有趣，有说服力。
附图说明
12.图1为本驻波演示仪结构图。
13.图2为超声波波源结构图。
14.图3为反射板结构图。
15.图4为驻波演示部分结构图。
16.图5为支架结构图。
17.图中标号：1为超声波波源，2为反射板，3为声压演示，4为支架，5为电源，6为支架底板，7为套管a，8为套管b，9为载物平台。
具体实施方式
18.本发明提供的驻波演示仪结构如图1所示，其由超声波波源1、反射板2、驻波显示3、支架4、电源5等五部分组成。其中：超声波波源如图2所示，波源是超声波换能器组成的阵列，用工作频率为40khz的小型超声波换能器紧密排列 ，呈圆形阵列或六边形阵列，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，由于换能器间发射的超声波相互叠加，可获得强度较高的波束，阵列下方安装一根细杆。
19.反射板如图3所示，反射板为金属材质，形状和外观尺寸与超声波阵列外观相同，下方装有与超声波阵列相同的细杆。
20.驻波显示如图4所示，驻波的显示是将容易引起白雾的物体（液氮或干冰等），置于任意容器中。
21.支架如图5所示，支架包括底板6，套管a7，套管b8，载物平台9。套管a、套管b完全相同，在底板上对称放置，相距50cm，高度不少于10cm，套管中空，孔径等于超声波阵列下方细杆的直径，使之恰好可以插入；载物台位于a、b套管之间靠近中间位置，载物台与套管等高。
22.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。
23.实验时，将换能器阵列及反射板分别插入a、b套管，在载物台上放置任意容器，并倒入液氮或干冰，连接电源和超声波换能器阵列，打开电源，换能器阵列发射40khz的超声波，组成波源的各换能器间超声波相互叠加，发射强度较高的波束，波动传播中遇反射板，在阵列和反射板间形成驻波，此驻波使得本来均匀分布的白雾在垂直于入射波传播方向上被分割成周期的区域，波节附近有白雾堆积，波腹附近白雾被推开，从而演示驻波的存在。


技术特征：
1.一种驻波可视化演示仪，其特征在于，由超声波波源、反射板、驻波显示物、支架、电源五部分组成；其中：所述超声波波源，是由超声波换能器组成的阵列，具体是由工作频率为40khz的小型超声波换能器紧密排列组成的圆形阵列或六边形阵列，阵列下方安装有一根细杆；所述反射板，为金属材质，形状和外观尺寸与超声波阵列外观相同，下方装有与超声波阵列相同的细杆；所述驻波显示物，包括一容器以及至于容器中的容易引起白雾的物体，用于显示驻波；所述支架，包括底板，套管a，套管b，载物平台；套管a、套管b完全相同，在底板上对称放置，相距45-50cm，高度不少于10cm，套管中空，孔径等于超声波阵列下方细杆的直径，使该细杆恰好可以插入套管；载物台位于套管a、套管b套管之间靠近中间位置，载物台与套管等高；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。2.根据权利要求1所述的驻波可视化演示仪，其特征在于，所述容易引起白雾的物体为液氮或干冰。

技术总结
本发明属于教学实验设备技术领域，具体为一种驻波可视化演示仪。本演示仪由超声波波源、反射板、驻波显示物、支架、电源等五部分组成。其中，超声波波源由超声波换能器组成阵列，此阵列工作频率为40kHz；超声波阵列前面放置一与之相同外观尺寸的金属反射板，则在阵列与反射板之间形成驻波，此驻波可借助于液氮或干冰的白雾来演示。实验中，将超声波阵列和反射板固定到底座上，使之两者正面相对，打开与换能器阵列相连的电源，则驻波使得本来均匀分布的白雾在垂直于入射波传播方向上被分割成周期的区域，波节附近有白雾堆积，波腹附近白雾被推开，从而演示驻波的存在。从而演示驻波的存在。从而演示驻波的存在。


技术研发人员：吕景林 马建敏
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