一種水波聲波干涉實驗裝置

摘 要：介紹了自制水波聲波干涉實驗裝置的原理、結構、制作和使用方法，利用該裝置可進行水波和聲波的干涉實驗。

關鍵詞：水波干涉；聲波干涉；演示裝置

1 工作原理

干涉實驗裝置主要由信號源、功率放大器、揚聲器（2個中頻揚聲器、1個低頻長沖程揚聲器）組成。信號源產生頻率可變的音頻正弦信號，經功率放大后驅動揚聲器振膜振動，使2個揚聲器串聯組成的發聲單元發聲，形成相干聲源（如圖1）；低頻信號（幾十赫茲）驅動低頻揚聲器振膜振動，帶動與之相連的雙桿泡木塊振動，在水面激發產生相干波源（如圖2）。

圖1 聲波干涉實驗原理框圖 圖2 水波干涉實驗原理框圖

2 實驗裝置的制作

實驗裝置主要由信號源、放大器、揚聲器等部分組成，具體介紹如下。

2.1 信號的產生

信號產生的方式較多，通常可采用實驗用信號源或波形發生器產生實驗所需的正弦波信號。隨著計算機技術的迅猛發展，電腦或智能手機應用已經十分普遍，采用波形生產軟件生成所需正弦信號變得非常簡便。在電腦上采用Wave Generator軟件獲得所需相干聲源的正弦信號（1000Hz等）和用于水波干涉實驗的相干振源信號（30Hz等），軟件界面如圖3所示。

圖3 生成正弦信號的軟件界面截圖

2.2 信號放大電路的設計

以TDA2003為核心進行放大電路的設計，單電源供電，采用額定輸出為16V/3.4A記本充電器為信號放大電路供電。TDA2003最大輸出功率可達10W，采用TO-220-5封裝，外圍元件少，使用簡便，設計的信號放大電路如圖4所示。

其中，電腦聲卡輸出的單頻正弦信號由J1輸入，經RP3分壓后由C1耦合到TDA2003的正向輸入端，放大后的正弦信號經C3耦合輸出，推動揚聲器的振膜振動。演示聲波的干涉實驗時，接入揚聲器SP1、SP2串聯組成的負載，設置好相應的信號頻率，由SP1、SP2產生出同頻同相的相干聲源；演示水波干涉實驗時，先由軟件設置好相應的正弦信號頻率（如30Hz等），經TDA2003放大后推動低頻揚聲器LP3的振膜連同泡木塊振動，在水面上激發產生相干波源。

2.3 低頻揚聲器的改制

水波干涉實驗所需工作頻率較低，振幅較大，選用厚約1cm的泡木板，根據低頻揚聲器振膜外形，切割成如圖5（a）所示凹面形狀，同時切割出尺寸基本一致的泡木振動桿1和振動桿2，然后與低頻揚聲器吻合固定，涂上502膠水，膠接固化后形成新的低頻振動裝置，如圖5（b）所示。實驗時，泡木振動桿1和振動桿2均垂直于水面并與水面保持接觸，揚聲器振動時帶動2個振動桿同步振動，在水面上產生相干波源。

圖5 低頻揚聲器的改制

（a.切割后的泡木塊； b.粘結泡木塊后的低頻揚聲器）

3 結束語

利用波形生產軟件產生正弦信號，經功率放大后推動揚聲器的振膜振動，既可演示聲波的干涉實驗，又可選用低頻揚聲器制作的專用低頻振動裝置，演示水波的干涉實驗。演示裝置的信號頻率、振幅調節方便，制作簡單，使用效果優良

參考文獻

[1]魏薇.電磁諧振水波干涉演示儀的設計研究[J].物理與工程，2012，

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