Устройство для демонстрации модуляции звуковой волны

 

Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть широко использовано в лекционных курсах по физике таких, как оптика, колебания, спектроскопия и т.д. Цель изобретения - повышение наглядности демонстрации выделения гармоник спектра колебаний. Сущность изобретения заключается в том, что в нем частотный генератор, прерыватель и излучатель выполнены в виде последовательно соединенных генератора звуковых частот, управляемого частотного реле и акустической головки, причем к входам управляемого частотного реле подключен своими выходами аналогичный генератор, а приемное устройство выполнено в виде трех резонаторов Гельмгольца с разными частотами, установленными на одинаковом уровне относительно центра акустической головки, причем на выходе резонаторов установлены три идентичных индикатора-вертушки, служащих для индикации возбуждения резонаторов. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

C0LLHA JlHCTVHECHHX

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 09 В 23/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4400033/31-12 (22) 30.03.88 (46) 07. 12.89. Бюп. Ф 45 (71) МГУ им. М.В.Ломоносова (72) М. Г. Вабищевич, В.П. Кандидов, Т.Ш.Мусаев и M.Â.Cåìåíîâ (53) 530.075 (088.8) (56) Иверонова В.И. Лекционные демонстрации по физике.-М., 1972,с.239, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ МОДУЛЯЦИИ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ (57) Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть широко использовано в лекционных курсах по физике, таких как оптика, колебания, спектроскопия и т.д. Цель изобретения — повышение наглядности демонстрации выделения гармоник

Иэ обр ет ение относится к средствам обучения, в частности к учебным приборам по физике, и может быть широко использовано в ряде лекционных наглядных экспериментов, таких, например, как демонстрация спектральной плотности энергии колебаний, модуляция колебаний, расширение спектра колебаний и т.д., и может быть применено в таких курсах по физике, как оптика, колебания, спектроскопия и т.д.

Целью изобретения является повышение наглядности демонстрации выделения гармоник спектр а колебаний.

На схема устройства; на фиг.2 — принцип выделения спектра гармоник колебаний. устройство содержит последователь- . но соединенные частотный генератор 1, „,SU„„1527651 A 1 спектра колебаний. Сущность изобретения заключается в том, что в нем частотный генератор, прерыватель и излучатель выполнены в виде последовательно соединенных генератора звуковых частот, управляемого частотного реле и акустической головки, причем к входам управляемого частотного реле подключен своими выходами ана- логичный генератор, а приемное устройство выполнено в виде трех резонаторов Гельмгольца с разными частотами, установленными на одинаковом уровне относительно центра акустической головки, причем на выходе резонаторов установлены три идентичные ин- Я г дикатора-вертушки, служащие для индикации возбуждения резонаторов. 2 ил. спужащий для создания излучения звуковой частоты с акустической головки 2, прерыватель 3, выполненный в виде реле и служащий для амплитудной модуляции с возможностью изменения частоты модуляции, прерывание которого осуществляется аналогичным гене,ратором 4, резонаторы Гельмгольца 5-7 с частотами, например, 150, 250, 350 Гц, три идентичные индикатора-вертушки 8-10, установленные на г одинаковом уровне относительно рвзонаторов Гельмгольца 5-7, по вращению которых судят о возбуждении резонаторов, и падающие, сферические волны 11 от излучения головки 2,служащие для возбуждения резонаторов

Гельмгольца 5-7.

Чтобы показать спектральную плотность энергии, определяющую энергию

152 7651 гармоник спектра в единичной полосе частоты, возникает вопрос реальны ли гармоники Фурье или они являются результатом математической абстрак5 ции ° Согласно спектральному подходу уединенный импульс представляется непрерывным множеством гармоник.

Гармонические колебанияу, существующие на бесконечной оси времени, образуют при суперпозиции сигнал, отличный от нуля лишь на конечном интервале времени t(-Г./2(tc /2). Если гармоники спектра реальны, то их можно обнаружить до появления сигнайа.

В реальности гармоник спектра можно убедиться лишь экспериментапь-, ным путем при регистрации реальным измерительным прибором. Таким прибором является резонатор, который откликается на гармонические колебания в некоторой полосе частот й1 в окрестности резонансной частоты прибора. Суперпозиция гармоник непрерывного спектра в этой полосе такова, что прибор откликается лишь после прихода сигнала, т.е. при

-c /2, и молчит до его появления.

Можно показать математически, что отклик любого реального резонатора равен тождественно нулю при t (-,/2, т.е. до прихода сигнала.

Уме ныне ни е п ол о сы пр и бор а в целях выделения бесконечно узкой части спектра приводит к бесконечному увеличению времени регистрации у которое обратно пропорционально согласно теореме о ширине частотной полосы. Поэтому регистрация одной гармоники непрерывного спектра Б(И) принципиально невозможна. а

Наглядным зспериментом по выделению гармоник спектра является

45 опыт с резонаторами Гельмгольца 5-7, на которые воздействует звуковая волна различной частоты 1 и длительности . Схизма эксперимента л с тремя резонаторами, настроенными

50 на частоты, 1, приведена на

O у

-фиг.1. При воздействии звуковой волной в течение нескольких секунд на частоте 1 возбуждается средний резонатор, что свидетельствует о сущест 55 вовании в спектре сигнала гармоник, лежащих з окрестности частоты .

Однако при большой длительности воздействия спектр узкий, гармоники на частотах ), и отсутствуют,а соответствующие резонаторы «е откликаются (фиг.2а) .

Чтобы спектр сигнала перекрывал частоты 1,,1, 4 одновременно, необходимо, следуя теореме о ширине частотной полосы, сократить длительность л (3 -9 (- / — °

Пусть, например, у, = 150 Гн, уе

250 Гц, уq = 350 Гц и, следовательно, 2 (10 с. При сокращении длительности импульса уменьшается амплитуда гармоник спектра, так как она обратно пропорциональна ь . В результате энергии гармоник в полосе резонатора h3 оказывается недостаточно, чтобы возбудить в нем колебания (фиг.26). Поэтому при воздействии одиночным коротким импульсом с несущей частотой 4 или М,, не откликается ни один резонатор.

° Дня увеличения энергии гармоник можно перейти к воздействию в виде периодической последовательности коротких импульсов, например, с несущей частотой ) . В этом случае при той же ширине, охватывающей все частоты резонаторов 1,, г, спектр становится дискретным (фиг, 2в) .

Шаг гармоник = 1/Т, где Т вЂ” период следования импульсов. Величина

I должна быть достаточно мала, чтобы . несколько гармоник укладывалось в ширине спектра 61 . Отсюда Ха)61)

Опыт с воздействием периодической последовательностью коротких импульсов с несущей частотой 2 показывает,что возбуждаются все три резонатора. Это подтверждает существование в спектре сигнала гармоник, лежащих в окрест-! ности частот

Наблюдение гармоник Фурье в спектре сигнала возможно при достаточной их энергии в полосе измерительного прибора.

Первоначально включают генератор 1 и при замкнутом прерывателе 3. демонстрируют, например, при частоте излучения генератора )g 250 Гц с помощью звуковой излучательной головки 2 (динамика) возбуждение среднего резонатора Гельмгольца 6 по наличию вращения вертушки 9. При этом остальные не работают.

Затем включают прерыватель 3 и путем включения генератора 4 управляют частотой прерывания сигнала от генератора 1, например, с частотой

152 765!

100 Гц, вследствие указанного вращаются все три вертушки 8-10 резонаторов, тем самым демонстрируется наличие гармоник Фурье. Параллельно излучателю звуковой частоты можно подключить осциллограф с анализатором, на экране которого дополнительно можно наблюдать реальный спектр (фиг.2в), Прерыватель может быть выполнен нз реле, управление которым осуществляется синусоидальным генератором, а через его контакты пропускается генерируемый сигнал, прерывание которого происходит за счет электромеханического размыкания контактов.

Он также может быть выполнен и в виде электронного модулятора на транзисторе.

Вертушки-индикаторы вращения выполнены из легкого материала, например тонкого пенопласта, в виде турбинок, установленных своим центром в одной точке на игольчатый упор, дающий минимальное трение и свободу вращению.

Расширение демонстрационной наглядности вызвано тем, что использование трех приемников в реле-модуляторе дает воэможность продемонстри, ровать спектральную плотность энергии их гармоники, амплитудную модуляцию и условия их существования.

Формула изобретения

Устройство для демонстрации модуляции звуковой волны, содержащее частотный генератор, излучатель в виде акустической головки, прерыватель и приемное устройство, о т л и— ч а ю щ е е с я; тем, что, с целью повышенйя наглядности демонстрации выделения гармоник спектра колебаний, прерыватель состоит из управляемого частотного реле и дополнительно20 го генератора, который выходами подключен к входам реле, а приемное устройство состоит из нескольких расположенных на одинаковом уровне от центра акустической головки резонато25 ров Гельмгольца с различными частотами и расположенных на их выходах ин;., дикаторов-вертушек, 1527651

Составитель P.Óæâèé

Техред Ч.Дидык Корректор Э,Лончакова

P едакт ор И. Шулл а

Заказ 7514/54 Тираж 469 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьггиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101