本發(fā)明涉及教學(xué)演示用具技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種拍頻產(chǎn)生演示儀。

背景技術(shù)：

“拍頻”(beat)現(xiàn)象是高等教育中一個(gè)重要的物理現(xiàn)象，在光學(xué)、電磁學(xué)等學(xué)術(shù)領(lǐng)域及日常生活中亦有重要應(yīng)用(例如，光拍法測(cè)光速、聲波或無(wú)線(xiàn)電波頻率的測(cè)定、樂(lè)器校準(zhǔn)、監(jiān)視車(chē)速等)。但該現(xiàn)象原理十分抽象，晦澀難懂。

教學(xué)過(guò)程中，在看不見(jiàn)、摸不著的情況下，學(xué)生也難以理解拍現(xiàn)象原理。在之前，曾有老師用音叉共振來(lái)演示拍現(xiàn)象(敲擊兩個(gè)頻率相近的音叉以產(chǎn)生聲波，進(jìn)而形成拍現(xiàn)象)，但是此過(guò)程中，受音叉自身的局限性影響，音調(diào)及響度難以控制，可操作性不強(qiáng)，演示效果不明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述不足，提出了一種能夠形象、直觀(guān)的演示“拍頻”現(xiàn)象的拍頻產(chǎn)生演示儀。

本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：

一種拍頻產(chǎn)生演示儀，包括電源、振蕩器、功率放大器、揚(yáng)聲器和連接接頭，振蕩器包括左側(cè)振蕩器和右側(cè)振蕩器，揚(yáng)聲器包括左側(cè)揚(yáng)聲器和右側(cè)揚(yáng)聲器，連接頭包括左側(cè)連接頭和右側(cè)連接頭，振蕩器產(chǎn)生兩組頻率差值小的正弦信號(hào)，正弦信號(hào)進(jìn)入功率放大器進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)分別輸入揚(yáng)聲器產(chǎn)生音頻，形成較為清晰的“拍”音，左側(cè)連接接頭和右側(cè)連接頭均與外接設(shè)備連接，外接設(shè)備將“拍”音轉(zhuǎn)換成波形圖輸出。

優(yōu)選地，所述電源上設(shè)有電源總開(kāi)關(guān)，左側(cè)揚(yáng)聲器上設(shè)有左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，右側(cè)揚(yáng)聲器上設(shè)有右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)。

優(yōu)選地，所述電源總開(kāi)關(guān)、左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)和右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)均為單刀開(kāi)關(guān)。

優(yōu)選地，所述左側(cè)振蕩器和右側(cè)振蕩器均為RC橋式正弦波振蕩器。

優(yōu)選地，啟動(dòng)拍頻產(chǎn)生演示儀：

閉合電源總開(kāi)關(guān)，左側(cè)振蕩器、右側(cè)振蕩器和功率放大器通電，處于工作狀態(tài)；

閉合右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，右側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出由右側(cè)振蕩器產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)頻率為ω₁的音頻；

閉合左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，左側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出由左側(cè)振蕩器產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)頻率為ω₂的音頻；

同時(shí)閉合左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)和右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，左側(cè)揚(yáng)聲器和右側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出由左側(cè)振蕩器和右側(cè)振蕩器產(chǎn)生的頻率為ω₁和ω₂疊加的音頻，產(chǎn)生拍現(xiàn)象；

將左側(cè)連接頭、右側(cè)連接頭分別連接示波器的X、Y通道，進(jìn)行擬合，即可通過(guò)示波器觀(guān)察拍現(xiàn)象，從而進(jìn)一步模擬、分析。

優(yōu)選地，所述電源為5V～12V直流電源。

本發(fā)明具有的有益效果是：利用電路設(shè)計(jì)替代原始聲源，對(duì)拍現(xiàn)象進(jìn)行分析，集聲、電于一體，將“拍”信號(hào)生動(dòng)形象的表現(xiàn)出來(lái)，集視、聽(tīng)于一體，寓學(xué)于樂(lè)；

采用RC橋式振蕩電路,原理簡(jiǎn)單，元器件少，體積小，輸出電壓恒定,失真小,“拍”現(xiàn)象明顯；

本演示儀體積小，功耗低，且不易受外部環(huán)境影響，可廣泛應(yīng)用于教學(xué)演示中；

頻率易控，可操作性強(qiáng)，設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)，易于調(diào)試，提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了拍頻發(fā)生的穩(wěn)定性、精確性；

本演示儀可以與示波器、多功能視頻臺(tái)等儀器配套觀(guān)察來(lái)模擬“拍”現(xiàn)象的輸出波形圖，將抽象概念轉(zhuǎn)化為可視化圖像。

附圖說(shuō)明

圖1為該拍頻產(chǎn)生演示儀結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為該拍頻產(chǎn)生演示儀電路原理圖；

圖3為RC橋式正弦波振蕩器電路原理圖；

圖4為兩個(gè)分振動(dòng)的“位移—時(shí)間”曲線(xiàn)。

其中，1為電源，2為振蕩器，3為功率放大器，4為示波器接頭，5為左側(cè)振蕩器，6為右側(cè)振蕩器，7為左側(cè)揚(yáng)聲器，8為右側(cè)揚(yáng)聲器，9為左側(cè)連接頭，10為右側(cè)連接頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1-2所示，一種拍頻產(chǎn)生演示儀，包括電源1、振蕩器2、功率放大器3、揚(yáng)聲器和連接接頭，電源1為5V～12V直流電源，振蕩器包括左側(cè)振蕩器5(O_L)和右側(cè)振蕩器6(O_R)，揚(yáng)聲器包括左側(cè)揚(yáng)聲器7(S_L)和右側(cè)揚(yáng)聲器8(S_R)，連接頭包括左側(cè)連接頭9(BNC_L)和右側(cè)連接頭10(BNC_R)，振蕩器產(chǎn)生兩組頻率差值小的正弦信號(hào)，正弦信號(hào)進(jìn)入功率放大器進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)分別輸入揚(yáng)聲器產(chǎn)生音頻，形成較為清晰的“拍”音，左側(cè)連接接頭和右側(cè)連接頭均與外接設(shè)備連接，外接設(shè)備將“拍”音轉(zhuǎn)換成波形圖輸出。

電源上設(shè)有電源總開(kāi)關(guān)(S₁)，左側(cè)揚(yáng)聲器上設(shè)有左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)(S₃)，右側(cè)揚(yáng)聲器上設(shè)有右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)(S₂)。

電源總開(kāi)關(guān)、左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)和右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)均為單刀開(kāi)關(guān)。

左側(cè)振蕩器5和右側(cè)振蕩器6均為RC橋式正弦波振蕩器。

啟動(dòng)拍頻產(chǎn)生演示儀：

閉合電源總開(kāi)關(guān)，左側(cè)振蕩器、右側(cè)振蕩器和功率放大器通電，處于工作狀態(tài)；

閉合右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，右側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出由右側(cè)振蕩器產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)頻率為ω₁的音頻；

閉合左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，左側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出由左側(cè)振蕩器產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)頻率為ω₂的音頻；

同時(shí)閉合左側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)和右側(cè)揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)，左側(cè)揚(yáng)聲器和右側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出由左側(cè)振蕩器和右側(cè)振蕩器產(chǎn)生的頻率為ω₁和ω₂疊加的音頻，產(chǎn)生拍現(xiàn)象；

將左側(cè)連接頭、右側(cè)連接頭分別連接示波器的X、Y通道，進(jìn)行擬合，即可通過(guò)示波器觀(guān)察拍現(xiàn)象，從而進(jìn)一步模擬、分析。

如圖3所示，RC橋式正弦波振蕩器電路原理圖，

RC振蕩電路的主要作用在于產(chǎn)生兩個(gè)振動(dòng)頻率相近、幅度相等、相位相同的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，為拍現(xiàn)象的合成做鋪墊。RC串并聯(lián)振蕩器的頻率調(diào)節(jié)方便,調(diào)節(jié)范圍也較寬，其是一種正反饋式振蕩器，R₁、C₁、R₂、C₂,構(gòu)成的選頻電路，為了分析方便，取R₁＝R₂＝R、C₁＝C₂＝C，R₁、C₁串聯(lián)阻抗Z₁＝R₁+1/jωC₁,R₂、C₂并聯(lián)阻抗Z₂＝R₂/(1+jωR2C2)，該選頻網(wǎng)絡(luò)中的傳輸系數(shù)Fu：

Fu＝U_F/U₀＝Z₂/(Z₁+Z₂)

＝1/[(1+R₁/R₂+C₁/C₂)+j(ωR₁C₂-1/ωR₂C₁)] (1)

當(dāng)ω₀＝1/RC，ω＝ω₀時(shí)，由上式可推出傳輸系數(shù)Fu與相位角φF具體值為：

Fu＝1/sqrt[(9-j(ω/ω₀-ω₀/ω))]＝1/3 (2)

φF＝-arctan[(ω/ω₀-ω₀/ω)/3]＝0 (3)

這時(shí)RC串并聯(lián)振蕩輸出頻率f₀＝1/2πRC，通過(guò)改變RC反饋回路中R、C的值，可以得到不同的頻率輸出信號(hào)。

RC串并聯(lián)電路維持自激振蕩條件：

(1)幅度條件：AF＝1表示反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的大小相等。

(2)相位條件：ψ＝2nπ(n為整數(shù))，表示反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相。

在電路開(kāi)始起振時(shí)，激勵(lì)信號(hào)很弱，這時(shí)電路需要正反饋，即AF>1，電路才能起振。起振后，輸出信號(hào)的幅度慢慢增大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，必須使AF＝1，輸出信號(hào)幅度才能穩(wěn)定下來(lái)。在主振電路，設(shè)C₁＝C₂＝C，R₁為常數(shù)，R₂＝R₂x，通過(guò)調(diào)節(jié)Rx改變輸出信號(hào)頻率，輸出頻率為：

f₀＝1/[2πC sqrt(R₁R₂x)] (4)

設(shè)R_X>>R₁，由(1)式可得Fu＝1/(2+R₁/R_2X)≈1/2，由起振條件|A*Fu|>1則A＝1+(R_T+R_P)/R>2，即電路滿(mǎn)足R_T+R_P>R，即可起振。起振后輸出達(dá)到設(shè)定值時(shí)，讓R_T+R_P＝R即可穩(wěn)幅，電路中R_T并聯(lián)一正一反兩二極管，根據(jù)二極管伏安特性，起振時(shí)隨反饋回路電流增大阻值減小，兩二極管使電路自動(dòng)起振穩(wěn)幅作用。

功放電路的主要作用是將由RC振蕩電路產(chǎn)生信號(hào)加以放大，是拍現(xiàn)象產(chǎn)生的前提。由于RC振蕩電路輸出的信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，故而需將其功率放大，以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)拍現(xiàn)象的合成及產(chǎn)生。

8002A是一個(gè)帶關(guān)斷模式的音頻功放。8002A功能特點(diǎn)：

(1)無(wú)需輸出耦合電容或外部緩沖電路。

(2)穩(wěn)定的增益輸出。

(3)外部增益設(shè)置。

在5V輸入電壓下工作時(shí)，負(fù)載(3Ω)上的平均功率為3W，且失真度不超過(guò)5％。而對(duì)于手提設(shè)備而言，當(dāng)VDD作用于關(guān)斷端時(shí)，8002A將會(huì)進(jìn)入關(guān)斷模式，此時(shí)的功耗極低，I_Q僅為0.6uA。8002A是專(zhuān)為大功率、高保真的應(yīng)用場(chǎng)合所設(shè)計(jì)的音頻功放。所需外圍元件少，且在2.0V～5.5V的輸入電壓下即可工作。

在本拍頻產(chǎn)生演示儀中，

設(shè)置R₂、R₃、R₅、R₆、R₇為定值電阻；

R₂＝10KΩ、R₃＝15KΩ、R₅＝2.4KΩ、R₆＝10KΩ、R₇＝10KΩ；

R₁、R₄為可變電阻：R₁＝0～100KΩ、R₄＝0～100KΩ；

C₁為可變電容器：C₁＝0.01～0.10uF；C₂為定值電容器：C₂＝0.01uF。

左側(cè)振蕩器和右側(cè)振蕩器的工作原理：

兩個(gè)諧振動(dòng)的圓頻率分別為ω₁和ω₂，且ω₁>ω₂，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，令振幅A₁＝A₂＝A，初相位φ₁＝φ₂＝0。則其振動(dòng)方程分別為:

y₁＝Acosω₁t (5)

y₂＝Acosω₂t (6)

合振動(dòng)為

上式中可看作是合振動(dòng)的振幅，它隨時(shí)間作周期性變化；而后面部分則是以為圓頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。

通過(guò)分析可知，拍現(xiàn)象具有如下特點(diǎn)：

(1)振幅隨時(shí)間作周期性變化，周期恒定，一次強(qiáng)弱變化為一拍。

(2)每一拍的時(shí)間(即拍的周期)為：

(3)合振動(dòng)的圓頻率為：

如圖4所示，a和b分別表示兩個(gè)分振動(dòng)的“位移—時(shí)間”曲線(xiàn)，由圖可知，在t₁時(shí)刻,兩分振動(dòng)的相位相同；在t₂時(shí)刻，兩分振動(dòng)的相位相反，合振幅最小；在t₃時(shí)刻，兩分振動(dòng)的相位又相同，合振幅再次最大，c中，虛線(xiàn)表示和振動(dòng)的振幅隨時(shí)間作周期性緩慢變化，即“拍”現(xiàn)象。

當(dāng)然，上述說(shuō)明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。