- 227 -
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. УЧЕБНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ВОЛНОВОЙ ФИЗИКЕ СО
ЗВУКОВЫМИ ВОЛНАМИ
Таблица 2.1
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
ПО ВОЛНОВОЙ ФИЗИКЕ СО ЗВУКОВЫМИ ВОЛНАМИ
--------------------------------------------------------------¬
¦ ТИПОВОЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ¦
+-------------------------------------------------------------+
¦1. Генератор ¦ Генератор звуковой частоты типа ГЗШ,ГЗМ, ¦
¦ ¦ ГНЧШ-1, ГЗ-33 ¦
¦2. Усилитель ¦ Усилитель низкой частоты типа УНЧ-3, УНЧШ-1 ¦
¦3. Вольтметр ¦ Демонстрационный вольтметр с гальванометром ¦
¦4. Осциллограф¦ Для измерения амплитуды и частоты можно испо-¦
¦ ¦ льзовать школьный осциллограф ОДШ,ОЭУ. Опыты ¦
¦ ¦ по измерению времени распространения звука ¦
¦ ¦ требуют использования осциллографа со ждущей ¦
¦ ¦ разверткой, например С1-65 А ¦
¦5. Динамик ¦ Динамик типа 2ГД-4О ¦
¦6. Микрофон ¦ Микрофон типа ДЭМШ-1 (резонансные частоты 5 ¦
¦ ¦ и 1О кГц), микрофон МД282 имеет практически ¦
¦ ¦ горизонтальную кривую чувствительности ¦
+--------------+----------------------------------------------+
¦ НОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ¦
+-------------------------------------------------------------+
¦1. Возбудитель¦ Вырабатывает одиночный звуковой импульс ¦
¦ одиночного ¦ ¦
¦ сигнала ¦ ¦
¦2. Генератор ¦ Вырабатывает звуковые импульсы регулируемой ¦
¦ звуковых ¦ частоты следования. ¦
¦ импульсов ¦ ¦
¦3. Генератор ¦ Вырабатывает звуковые цуги регулируемой час- ¦
¦ звуковых ¦ тотой следования, длина которых изменяется от¦
¦ цугов ¦ 1 до 9 длин волн ¦
¦4. Устройство ¦ Задерживает сигнал, запускающий ждущую раз- ¦
¦ задержки ¦ вертку осциллографа на регулируемое время ¦
¦5. Индикатор ¦ Показывает до какого из двух микрофонов ¦
¦ времени ¦ звуковой сигнал дошел первым ¦
¦ распростра-¦ ¦
¦ нения звука¦ ¦
¦6. Измеритель ¦ Измеряет время прохождения звуком расстояния ¦
¦ времени ¦ между микрофонами или от динамика до микрофо-¦
¦ распростра-¦ на ¦
¦ нения звука¦ ¦
- 228 -
Таблица 2.1
Окончание
¦7. Индикатор ¦ Регистрирует небольшие изменения частоты, ¦
¦ частоты ¦ обусловленные эффектом Доплера ¦
¦8. Малоинерци-¦ Измеряет небольшие изменения частоты,обуслов-¦
¦ онный узко-¦ ленные эффектом Доплера ¦
¦ полосный ¦ ¦
¦ частотомер ¦ ¦
¦9. Формирова- ¦ Уменьшает амплитуду сигнала с выхода генера- ¦
¦ тель опорно¦ тора и подает его на вход усилителя ¦
¦ го сигнала ¦ ¦
¦1О.Генератор ¦ Вырабатывает синусоидальный сигнал регулиру- ¦
¦ опорного ¦ емой амплитуды и частоты для сложения с ис- ¦
¦ сигнала ¦ следуемым сигналом ¦
¦11.Измеритель ¦ Измеряет интенсивность звуковой волны в диа- ¦
¦ интенсив- ¦ пазоне 3О-1ОО Гц. ¦
¦ ности ¦ ¦
¦12.Модель ¦ Создает исскуственную среду, в которой имеет ¦
¦ резонирую- ¦ место поглощение и дисперсия звуковых волн ¦
¦ щей среды ¦ ¦
L--------------+-----------------------------------------------
2.1. ВОЗБУДИТЕЛЬ ОДИНОЧНОГО СИГНАЛА
На рис.38 изображена принципиальная схема возбудителя оди-
ночного сигнала. Накопительный конденсатор C1 через резистор R1
заряжается от батареи GB1 и при нажатии на кнопку SB1 быстро
разряжается через катушку динамика BA1, имеющую небольшое соп-
ротивление. При этом возникает кратковременный звуковой сигнал,
воспринимаемый как щелчок. Полярность включения динамика целе-
сообразно выбрать так, чтобы в первый момент разряда конденса-
тора диффузор динамика начал двигаться в направлении распрост-
ранения звука. В этом случае звуковой сигнал будет начинаться с
фазы сжатия.
2.2. ГЕНЕРАТОР ЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ
Для формирования импульсов с частотой следования от единиц
до сотен герц используется генератор звуковых импульсов,собран-
ный по схеме несимметричного мультивибратора (рис.39).
Питание прибора производится так, что положительный полюс
источника соединен с общим проводом схемы. Конденсатор C3 шун-
тирует источник питания, предотвращая проникновение помехи от
генератора в цепи питания других соединенных с ним приборов.
При включении прибора транзисторы VT1 и VT2 закрыты и кон-
денсатор C2 медленно заряжается, причем ток идет от положитель-
ного полюса источника через элементы R3, С2, R1 и R2. При этом
на базе VT1 растет отрицательный потенциал относительно эмитте-
ра и этот транзистор открывается, вызывая открывание транзисто-
ра VT2. Заряженный конденсатор С2 быстро разряжается через ре-
зистор R3 и переход эмиттер-база открытого транзистора VT1. От-
рицательный потенциал базы этого транзистора уменьшается и оба
транзистора последовательно закрываются. Пока транзистор VT2
открыт, от положительного полюса источника через резистор R3,
параллельно подключенный к нему динамик BA1 и переход коллек-
тор-эмиттер транзистора VT2 течет кратковременный ток.В резуль-
тате динамик вырабатывает звуковой импульс. Далее процесс пов-
торяется.
- 229 -

Рис.38. Принципиальная схема возбудителя одиночного сигнала.

Рис.39. Принципиальная схема генератора звуковых импульсов.

Рис.4О. Функциональная схема генератора звуковых цугов.
- 23О -
Частота следования формируемых генератором импульсов опре-
деляется временем заряда конденсатора С2. При замыкании ключа
SA1 параллельно конденсатору C2 подключается конденсатор С1, в
результате частота следования импульсов скачком уменьшается.
Плавная регулировка частоты осуществляется переменным резистор-
ом R2.Для указанных на схеме параметров генератора диапазон из-
менения частоты составляет 1-1ОО Гц.
2.3. ГЕНЕРАТОР ЗВУКОВЫХ ЦУГОВ
Генератор звуковых цугов предназначен для периодического
формирования последовательностей известного числа колебаний за-
данной частоты (пачек импульсов), преобразуемых динамиком в
звуковые цуги.
Прибор состоит из задающего генератора, ключевого элемен-
та, усилителя низкой частоты с динамиком на выходе, счетчика и
триггера (рис.4О). Генератор вырабатывает прямоугольные колеба-
ния регулируемой частоты и единичной скважности, которые посту-
пают на ключевой элемент и счетчик импульсов. Счетчик отсчиты-
вает заданное переключателем число импульсов и переводит триг-
гер в другое состояние. Сигнал с триггера закрывает ключевой
элемент и поступление импульсов от генератора на усилитель пре-
кращается. Счетчик продолжает работу и, отсчитав требуемое ус-
ловиями эксперимента число импульсов, переводит триггер в исхо-
дное состояние. Ключевой элемент открывается и начинается фор-
мирование новой последовательности импульсов. Далее процесс по-
вторяется так, что динамик периодически выдает цуги звуковых
волн.
Предварительное исследование показало, что в пачке должно
быть несколько импульсов, а время между последовательными пач-
ками должно определяться десятками импульсов. Поэтому мы выбра-
ли следующие параметры прибора: число импульсов в пачке регули-
руется от 1 до 9, между последовательными пачками проходит вре-
мя, равное длительности 5О импульсов задающего генератора.
Принципиальная схема прибора и осциллограммы напряжений в
ее различных точках изображены на рис.41 и 42 соответственно.
Генератор импульсов собран на элементах DD1.1,DD1.2 и DD2 и вы-
дает прямоугольные импульсы скважностью 1, частота которых пла-
вно регулируется резистором R2 (рис.42.1). Счетчик импульсов
выполнен на микросхемах DD3, DD4 и DD5. На элементах DD6.3 и
DD6.4 собран RS-триггер, управляющий работой ключевого элемен-
та DD6.2. Изменение числа импульсов в последовательности (длин
волн в цуге) осуществляется десятипозиционным переключателем
SA1. Ключевой элемент DD6.2 может находиться в двух состояниях:
открытом и закрытом. Когда на входе 1О логическая 1, то состоя-
ние выхода 8 определяется входом 9: если на нем логический О,
то на выходе 8 логическая 1 и наоборот. Таким образом, импульсы
проходят, ключевой элемент открыт. Если на входе 1О логический
О, то на выходе 8 независимо от состояния входа 9, логическая 1,
- ключевой элемент закрыт.
Допустим, необходимо получить последовательность трех им-
пульсов. Для этого переключатель SA1 замыкают на выход 9 дешиф-
ратора DD4. На выходе делителя частоты DD5 периодически через
время, равное длительности 5О импульсов задающего генератора,
появляется электрический импульс, который проходит через инвер-
тор DD6.1 и конденсатор C3 на вход 1 элемента DD6.3 (рис.42.2),
вызывая переключение RS-триггера в другое состояние. При этом
на входе 1О ключевого элемента DD6.2 появляется логическая 1
- 231 -

Рис.41. Принципиальная схема генератора звуковых цугов.

Рис.42. Осциллограммы напряжений в различных точках схемы гене-
ратора звуковых цугов.
- 232 -
(рис.42.4), ключевой элемент открывается и остается в таком со-
стоянии до тех пор, пока счетчик DD3 с дешифратором DD4 не сос-
читают до 3. При этом на контакте переключателя SA1 появляется
кратковременный логический О (рис.42.3), через конденсатор C2
поступающий на вход 5 элемента DD6.4,в результате чего RS-триг-
гер переключится в другое состояние и на входе 1О DD6.2 появит-
ся логический О,вызывая закрывание ключевого элемента(рис.42.4).
Поэтому на выходе ключевого элемента DD6.2 появляется пачка из
трех импульсов (рис.42.5) общей продолжительностью \tau.
Ключевой элемент будет закрыт до тех пор, пока на выходе
11 делителя частоты DD5 вновь не появится логическая 1, которая
опрокинет RS-триггер в прежнее состояние. Дальше процесс перио-
дически повторяется.
Пачки импульсов с выхода ключевого элемента DD6.2 поступа-
ют на усилитель, собранный на транзисторах VT1 и VT2. К выходу
усилителя подключен динамик BA1, который выдает цуги из трех
волн.
Прибор допускает регулировку частоты звука резистором R2
в пределах от 3,6 до 6,7 кГц. Для изменения указанного частот-
ного диапазона необходимо изменить емкость конденсатора C1. Де-
вять позиций переключателя SA1 позволяют регулировать число
волн в цугах, десятая позиция,при которой его контакт свободен,
предназначена для получения непрерывного сигнала.
2.4. УСТРОЙСТВО ЗАДЕРЖКИ
Устройство задержки предназначено для запуска ждущей разве-
ртки осциллографа через регулируемое время \tau после появления
исследуемого сигнала. Например, в опытах со звуковыми цугами
сигнал с выхода "Запуск" генератора нужно подать на вход уст-
ройства задержки, тогда можно добиться, чтобы ждущая развертка
началась в тот момент, когда на вход осциллографа приходит сиг-
нал с микрофона.
Устройство задержки состоит из двух соединенных последова-
тельно одновибраторов DD1.1 и DD1.2 (рис.43).Одновибратор DD1.1
запускается фронтом импульса (рис.44.1), поступающего на вход
устройства задержки, и на его инвертирующем выходе 4 появляется
логический О (рис.44.2),длительность \tau которого определяется
параметрами времязадающей цепочки R1, R2 и C1. После этого на
выходе 4 DD1.1, соединенном с входом 1О DD1.2 появляется логи-
ческая 1. Одновибратор DD2 также срабатывает по фронту импульса,
поэтому при появлении на его входе 1О логической 1, он выдает
на выходе 5 короткий импульс (рис.44.3), длительность которого
задается параметрами R3 и C2. Этот импульс поступает на вход
ждущей развертки осциллографа.
Время задержки \tau плавно регулируется в пределах от О,4
до 1О мс резистором R2. Длительность импульса,запускающего раз-
вертку, составляет О,О1 мс.
2.5. ИНИДИКАТОР ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА
Индикатор времени распространения звука предназначен для
определения, к какой из двух точек среды звуковой сигнал от ис-
точника доходит за меньшее время.
Прибор состоит из двух микрофонов, двух усилителей, чувст-
вительность одного из которых регулируется, двух триггеров, к
выходам которых подключены одинаковые лампочки, а также блока
автоматического сброса (рис.45).
- 233 -

Рис.43. Принципиальная схема устройства задержки.

Рис.44. Осциллограммы напряжений в различных точках схемы уст-
ройства задержки.
- 234 -
Пусть звуковой сигнал достигает верхнего микрофона на вре-
мя раньше, чем нижнего (рис.45). Оба сигнала усиливаются и
подаются на входы триггеров. Верхний триггер опрокидывается в
другое состояние, вызывая загорание лампочки,подключенной к его
выходу. Если время запаздывания t больше "мертвого времени"
схемы \tau, то верхний триггер успеет заблокировать нижний, ко-
торый уже не сможет среагировать на входной сигнал.Поэтому вто-
рая лампочка не загорит, показывая, что сигнал к нижнему микро-
фону пришел позже. Если время запаздывания t меньше "мертвого
времени" \tau, то нижний триггер успеет сработать и будут го-
реть обе лампочки.
Установка прибора в исходное состояние осуществляется с
помощью блока автоматического сброса, который запускается при
срабатывании хотя бы одного из триггеров. Через регулируемое
время индикации блок автоматического сброса формирует импульс,
переводящий оба триггера в исходное состояние, лампочки гаснут.
Для балансировки чувствительности обоих ветвей схемы использу-
ется переменный резистор.
Принципиальная схема прибора изображена на рис.46. Усили-
тели собраны на микросхемах DA1 и DA2, к ним через инверторы
DD1.1 и DD2.1 подключены RS-триггеры на элементах DD1.2, DD1.3
и DD2.2, DD2.3. Триггеры с помощью транзисторных ключей на VT1,
VT2 и VT3, VT4 управляют индикаторными лампочками HL1 и HL2 со-
ответственно. Для автоматической установки прибора в исходное
состояние используется одновибратор DD3.
Более подробно рассмотрим работу цифровой части схемы. В
исходном состоянии на входе 2 DD1.1 логическая 1. Когда звуко-
вой импульс достигает микрофона BM1 на входе 1 DD1.1 напряжение
достигает уровня логической 1. В результате этого на его выходе
3 появляется логический О, который "опрокидывает" RS-триггер на
DD1.2 и DD1.3 в другое состояние. На выходе 11 DD1.2 появляется
логическая 1, вызывающая открывание транзисторов VT1, VT2 и за-
горание лампочки HL1, а на выходе 8 DD1.3 - логический О.
Логический О с выхода 8 DD1.3 через некоторое время \tau,
называемое "мертвым" и определяемое емкостью C6 и сопротивле-
нием R1О, поступает на вход 4 блокирующего элемента DD2.1,в ре-
зультате чего на его выходе 6 устанавливается логическая 1 не-
зависимо от состояния входа 5. В зависимости от величины запаз-
дывания звукового сигнала к микрофону BM2, сигнал с выхода уси-
лителя DA2 успеет переключить RS-триггер на DD2.2 и DD2.3 в
другое состояние раньше, чем элемент DD2.1 заблокирует его ра-
боту,либо не успеет.В первом случае лампочка HL2 также загорит,
во втором - нет. Индикатор времени распространения волны имеет
симметричную схему, поэтому если звук достигнет первым микрофо-
на BM2, прибор сработает совершенно аналогично.
Блок автоматического сброса на одновибраторе DD3 запускае-
тся сигналами с выходов 11 DD1.2 и 8 DD2.3.При появлении на его
входе 2 логической 1,одновибратор через время, регулируемое ре-
зистором R17,подает на входы 9 DD1.3 и 13 DD2.2 кратковременный
логический О, который переводит триггеры в исходное состояние.
При этом лампочки гаснут, прибор ждет прихода нового звукового
сигнала.
- 235 -

Рис.45. Функциональная схема индикатора времени распространения
звука.

Рис.46. Принципиальная схема индикатора времени распространения
звука.
- 236 -
Микрофоны могут иметь различную чувствительность, поэтому
перед демонстрацией эксперимента необходимо подрегулировать ко-
эффициент усиления усилителя DA1, что осуществляется с помощью
переменного резистора R7, включенного в цепь отрицательной об-
ратной связи. При увеличении его сопротивления коэффициент уси-
ления усилителя увеличивается."Мертвое" время \tau определяется
временем заряда конденсаторов C5, C6 через резисторы R11, R1О
соответственно и составляет около О,О3 мс, что равно времени
прохождения звуком в воздухе расстояния около 1 см. Время инди-
кации,определяющее длительность свечения лампочек после каждого
звукового импульса, регулируется резистором R17 в пределах от
нескольких десятых долей секунды до нескольких секунд.
2.6. ИЗМЕРИТЕЛЬ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА
Прибор предназначен для определения времени распростране-
ния звуковой волны в газообразных, жидких и твердых средах с
точностью до 1 мкс.
Измеритель времени распространения звука состоит из возбу-
дителя сигнала, генератора счетных импульсов, ключевого устрой-
ства и счетчика импульсов (рис.47). Ключевое устройство содер-
жит два усилителя, к выходу каждого из которых подсоединено по
одному триггеру,соединенных с ключевым элементом. К выходу воз-
будителя сигнала подключен динамик,к входам усилителей - по од-
ному микрофону.
Рассмотрим измерение скорости звука методом двух микрофо-
нов, при этом ключ "I-II" находится в положении II,то есть зам-
кнут. Пусть прибор работает в автоматическом режиме при замкну-
том ключе "Авт." Возбудитель сигнала выдает электрический им-
пульс, который устанавливает триггеры в исходное состояние, об-
нуляет счетчик и одновременно поступает на динамик. Динамик вы-
дает звуковой сигнал, который достигнув ближайшего микрофона,
вызывает опрокидывание соответствующего триггера в другое сос-
тояние. В результате происходит открывание ключевого элемента и
импульсы с выхода генератора счетных импульсов начинают посту-
пать на вход счетчика. Когда звуковой импульс дойдет до второго
микрофона, произойдет опрокидывание другого триггера и закрыва-
ние ключевого элемента. Поступление импульсов на вход счетчика
прекратится.
При использовании постороннего возбудителя сигнала следует
разомкнуть ключ "Авт." и после каждого измерения устанавливать
прибор в исходное состояние с помощью кнопки "Сброс".
При измерении скорости звука методом одного микрофона пе-
реключатель "I-II" следует перевести в положение I, то есть ра-
зомкнуть, а левый микрофон отключить. В этом случае, когда воз-
будитель сигнала выдает импульс, левый триггер, отключенный от
усилителя не устанавливается в исходное состояние. Поэтому клю-
чевой элемент открывается и счетчик считает импульсы. Динамик
выдает звуковой сигнал, который через время достигает право-
го микрофона (левый отключен), вызывая переключение соответст-
вующего триггера в другое состояние.Ключевой элемент закрывает-
ся. Время в течение которого ключевой элемент был открыт превы-
шает время распространения звука от динамика к микрофону на ма-
лую величину, которую можно исключить, проведя несколько изме-
рений при различных расстояниях от динамика до микрофона.
В обоих случаях время t , в течение которого ключевой
элемент был открыт, определяется исходя из числа n сосчитанных
счетчиком импульсов и их частоты f : t= n / f. Клеммы "Запуск"
- 237 -

Рис.47. Функциональная схема измерителя времени распространения
звука.
- 238 -
используются для включения ждущей развертки осциллографа при
измерении скорости звука осциллографическим методом.
Генератор счетных импульсов кварцевый, содержит три выхода
на частоты 1МГц, 1ООкГц, 1ОкГц,счетчик импульсов трехразрядный.
Их принципиальные схемы подробно рассмотрены в пособии [83]. В
качестве возбудителя сигнала используется генератор импульсов,
рассмотренный выше.
Принципиальная схема ключевого устройства изображена на
рис. 48, на рис. 49 даны осциллограммы напряжений в некоторых
точках схемы.Усилители собраны на DA1, DA3 и DA2, DA4, к их вы-
ходам через инверторы DD1.1 и DD2.1 подключены два RS-триггера
на DD1.2, DD1.3 и DD2.2,DD2.3, выходы которых соединены с упра-
вляющими входами 1 и 2 ключевого элемента DD3.1.Установка триг-
геров в исходное состояние осуществляется подачей на входы 9
элементов DD1.3 и DD2.2 логического О,который преобразуется ин-
вертором DD3.2 в логическую 1 и обнуляет счетчик.
Ключевой элемент DD3.1 открыт в том случае, когда на его
обоих входах 1 и 2 логическая 1. В этом случае состояние его
выхода 12 определяется состоянием входа 13. Если хотя бы на од-
ном из управляющих входов ключевого элемента логический О, на
его выходе 12 независимо от состояния входа 13, логическая 1,-
ключевой элемент закрыт, импульсы не проходят.
Когда возбудитель сигнала формирует импульс, на входах 9
DD1.3 и DD2.2 появляется кратковременный логический О (рис.49.
1), в результате чего на входе 1 ключевого элемента DD3.1 уста-
навливается логический О, а на входе 2 - логическая 1 (рис.49.3
и 5), ключевой элемент закрыт. Пусть ключ SA1 замкнут. При дос-
тижении звуковым сигналом микрофона BM1 на выходе усилителя DA3
появится затухающий электрический сигнал, обусловленный собст-
венными колебаниями мембраны микрофона (рис.49.2). Первая поло-
жительная полуволна этого сигнала вызовет появление на выходе 3
инвертора DD1.1 логического О и переведет триггер на DD1.2 и
DD1.3 в другое состояние, при котором на входе 1 ключевого эле-
мента DD3.1 установится логическая 1 (рис.49.3). Ключевой эле-
мент откроется, и импульсы, подаваемые на его вход 13 начнут
поступать на его выход 12 (рис.49.6 и 7).
Звуковой сигнал достигнув микрофона BM2 вызовет переключе-
ние триггера на DD2.2 и DD2.3 в другое состояние и появление на
входе 2 ключевого элемента DD3.1 логического О (рис.49.4 и 5).В
результате ключевой элемент закрывается и перестает пропускать
счетные импульсы (рис.49.7). Счетчик показывает число импульсов,
успевших пройти через ключевое устройство за время , пока
звуковой сигнал распространялся от одного микрофона к другому.
При измерении скорости звука методом одного микрофона ключ
SA1 разомкнут,поэтому на входе 1 ключевого элемента DD3.1 всег-
да логическая 1 (рис.49.3, пунктир). Когда возбудитель сигнала
вырабатывает электрический импульс,на входе 2 ключевого элемен-
та устанавливается логическая 1 (рис.49.5), он открывается.Пос-
тупление счетных импульсов на вход счетчика происходит до тех
пор, пока звуковой сигнал не достигнет микрофона BM2 (рис.49.4
и 7). Поэтому счет импульсов происходит в течение времени ,
пока звук идет от динамика к микрофону.
Для правильной работы схемы необходимо, чтобы первый им-
пульс на выходах 6 DA3 и DA4, вызванный звуковым сигналом, имел
положительную полярность (рис.49.2 и 4), так как только такая
полярность обеспечивает закрывание ключевого устройства. Чтобы
добиться этого, получают осциллограмму сигнала на этих выходах
и при необходимости изменяют полярность включения динамика или,
если это возможно, поворачивают микрофон к динамику другой
- 239 -

Рис.48. Принципиальная схема ключевого устройства.

Рис.49. Осциллограммы напряжений в различных точках схемы клю-
чевого устройства.
- 24О -
стороной. Если первый импульс имеет отрицательную полярность,
то на него ключевое устройство не среагирует, а выключится нес-
колько позже под действием следующего импульса положительной
полярности. Все это без труда обнаруживается при исследовании
прибора, если использовать осциллограф в режиме ждущей разверт-
ки с внутренней или внешней синхронизацией.
Нами реализованы два варианта конструктивного исполнения
данного прибора: в одном случае возбудитель сигнала, генератор,
ключевое устройство,счетчик импульсов были выполнены в виде от-
дельных блоков, в другом - собраны в одном корпусе.
2.7. ИНДИКАТОР ЧАСТОТЫ
Индикатор частоты - прибор, позволяющий зарегистрировать
небольшие изменения частоты в опытах по изучению явления Допле-
ра. Устройство и принцип действия этого прибора описаны в [79,
85].
Индикатор частоты состоит из последовательно соединенных
усилителя-ограничителя 1, колебательного контура C1L1, выпрями-
теля на VD1, R3 и C2 и вольтметра PV1 (рис.5О). Микрофон уста-
навливают перед источником звука, частота \nu_0 которого должна
быть выбрана так, чтобы соответствующая ей рабочая точка лежала
на середине близкого к линейному участка боковой ветви резонан-
сной кривой колебательного контура (рис.51). Сигнал с микрофона
усиливается и ограничивается по амплитуде, после чего поступает
на колебательный контур, возбуждая в нем вынужденные колебания
с амплитудой u_0. Ограничение сигнала необходимо для того, что-
бы прибор, начиная с некоторого уровня входного сигнала не реа-
гировал на изменения интенсивности звука,а регистрировал исклю-
чительно смещения частоты.Изменения частоты звука на d\nu вызы-
вают пропорциональные изменения амплитуды колебаний напряжения
на du в ту или другую сторону, что регистрируется вольтметром,
соединенным с колебательным контуром через выпрямитель.
Принципиальная схема одного из вариантов прибора представ-
лена на рис.52.Усиление сигнала с микрофона осуществляется дву-
мя операционными усилителями DA1 и DA2,причем второй из них иг-
рает роль ограничителя. Преобразование изменений частоты в из-
менения постоянного напряжения осуществляется с помощью колеба-
тельного контура C3,L1, диода VD1 и емкостного фильтра C4, R1О.
Резисторы R7 и R8 ограничивают потери в контуре, повышая его
добротность. Постоянное напряжение с выхода фильтра усиливается
DA3 и подается на демонстрационный вольтметр PV1.Переменный ре-
зистор R16 предназначен для установки вольтметра на нуль при
частоте входного сигнала \nu_0.
В качестве микрофона BM1 использован электромагнитный кап-
сюль ДЭМШ-1. Катушку L1 наматывают на каркасе из эбонита или
оргстекла длиной 2О мм и внутренним диаметром 1О мм. Она содер-
жит 46О витков провода ПЭЛ О,29 и снабжена сердечником диамет-
ром 8 и длиной 3О мм из феррита М4ООНН. Индуктивность такой ка-
тушки составляет 12,7 мГн, а резонансная частота контура, обра-
зованного ею и конденсатором C3 емкостью О,1 мкФ,- 446О Гц.
Регистрирующим прибором PV1 может служить школьный магни-
тоэлектрический гальванометр от демонстрационного вольтметра,
чувствительностью 1,5 мВ/дел и внутренним сопротивлением 2,5
Ом, последовательно которому включен резистор сопротивлением
2ОО Ом. Микросхемы серии К14ОУД8 могут быть заменены на К14ОУД6
или К14ОУД7.
- 241-

Рис.5О. Функциональная схема индикатора частоты.

Рис.51. Резонансная кривая колебательного контура индикатора
частоты.

Рис.52. Принципиальная схема индикатора частоты с вольтметром.
- 242 -

Рис.53. Осциллограммы напряжений в некоторых точках схемы инди-
катора частоты.
- 243 -

Рис.54. Зависимость выходного напряжения индикатора от частоты.

Рис.55. Рабочая ветвь зависимости выходного напряжения индика-
тора от частоты.
- 244 -

Рис.56. Принципиальная схема индикатора частоты с лампочками.
- 245 -
Для налаживания индикатора частоты собирают эксперимен-
тальную установку,состоящую из генератора с динамиком на выходе
и индикатора частоты.Включают приборы, частоту звука устанавли-
вают близкой к резонансной. К генератору подключают частотомер
ЧЗ-33, к выходу микрофона - осциллограф. Увеличивают громкость
звука до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не достигнет
5 мВ (рис.53, а). Затем соединяют осциллограф с выходом 7 DA1 и
наблюдают осциллограмму, показанную на рис.53,б. На выходе 7
микросхемы DA2 сигнал должен быть таким, как на рис.53,в. Если
требуемые по форме и амплитуде сигналы сразу не получаются, ре-
гулируют подстроечные резисторы R3 и R6.
Далее подключают осциллограф к колебательному контуру L1C3
и, медленно изменяя частоту звукового генератора, по изменению
амплитуды осциллограммы сигнала наблюдают амплитудно-частотную
характеристику контура. Частоту звука подбирают такой, чтобы
амплитуда сигнала на контуре составила примерно половину резо-
нансного значения (рис.53,г). При этом на резисторе R1О должно
получиться небольшое постоянное напряжение (рис.53,д).Баланси-
ровка DA3 и установка стрелки вольтметра на нуль осуществляется
резисторами R13 и R16 соответственно.
Заметим, что переменный резистор R16 может быть заменен на
подстроечный, но тогда при демонстрациях устанавливать стрелку
вольтметра на нуль придется изменением частоты звука.
Если снять зависимость выходного напряжения от частоты, то
получится кривая, представляющая собой фактически амплитудно-
частотную характеристику колебательного контура, обрезанную
сверху и снизу (рис.54). Левая ветвь характеристики, растянутая
по оси частот, представлена на рис.55.Из графика видно, что ха-
рактеристика практически линейна в пределах примерно 3О Гц в ту
и другую сторону от рабочей частоты 4156 Гц. Доплеровскому из-
менению частоты d\nu = 3О Гц соответствует скорость относитель-
ного движения источника и приемника 2,4 м/с.
Стрелочный вольтметр на выходе прибора создает лишь иллю-
зию измерения частоты.Дело в том, что любой из доступных вольт-
метров инерционен, поэтому для измерения доплеровского смещения
частоты необходимо определенное время, в течение которого мик-
рофон или динамическая головка должны двигаться с постоянной
скоростью. Выполнить это условие в демонстрационном эксперимен-
те затруднительно. Поэтому вполне оправданной выглядит замена
вольтметра световым индикатором, показывающим существование эф-
фекта Доплера.
Схема такого варианта прибора приведена на рис.56. Его
принцип действия полностью аналогичен рассмотренному выше. От-
метим только, что при налаживании положение движка подстроечно-
го резистора R1О выбирают таким, чтобы на рабочей частоте вход-
ные напряжения усилителя DA3 были равными. В этом случае ни од-
на из лампочек не будет гореть. При увеличении частоты срабаты-
вают транзисторные ключи и загорается одна сигнальная лампочка,
при уменьшении - другая.
В заключение отметим,что в качестве амплитудного ограничи-
теля можно использовать логические элементы типа К155ЛА3, К155
АГ1, К155АГ3.
2.8. УЗКОПОЛОСНЫЙ МАЛОИНЕРЦИОННЫЙ ЧАСТОТОМЕР
Прибор предназначен для измерения малых изменений частоты
в опытах по изучению эффекта Доплера. Его устройство и принцип
действия описаны в [82]. Принципиальная схема малоинерционного
узкополосного частотомера изображена на рис.57. Прибор состоит
- 246 -

Рис.57. Принципиальная схема узкополосного малоинерционного
частотомера.
- 247 -
из последовательно соединенных усилителя на DA1,DA2, формирова-
теля прямоугольных импульсов постоянной амплитуды с частотой
звукового сигнала на DD1, DD2, колебательного контура L1 C4, и
малоинерционного измерителя амплитуды колебаний на DA3,транзис-
торе VT1 и линейном газоразрядном индикаторе HG1. Рассмотрим
принцип действия частотомера.
Снимаемый с микрофона BM1 сигнал усиливается DA1 и DA2 и
после преобразования буферными элементами DD1.1, DD1.2 в прямо-
угольные импульсы подается на одновибратор DD2. На выходе одно-
вибратора получаются прямоугольные импульсы определенной ампли-
туды, длительность которых не зависит от интенсивности звука, а
определяется параметрами времязадающей цепочки R8, C3. Это не-
обходимо для того, чтобы прибор реагировал только на изменение
частоты звука. Величины R8 и C3 подобраны так, чтобы скважность
импульсов, формируемых одновибратором на рабочей частоте звука
была примерно равна 1.
Эти прямоугольные импульсы поступают на параллельный коле-
бательный контур L1, C4 с резонансной частотой \nu_p. Частота
звука \nu выбирается так,чтобы соответствующая ей рабочая точка
лежала на середине одной из ветвей резонансной кривой указаного
контура (рис.51,55). В этом случае небольшие изменения частоты
звукового сигнала преобразуются колебательным контуром в про-
порциональные изменения амплитуды колебаний.
Напряжение с колебательного контура выпрямляется диодом
VD1 и фильтруется ячейкой C6, R13,после чего подается на инвер-
тирующий вход усилителя DA3. На неинвертирующий вход этого уси-
лителя поступает постоянное напряжение с переменного или подст-
роечного резистора R19, величина которого определяет положение
рабочей точки на резонансной кривой контура и подбирается при
налаживании прибора. Если к выходу усилителя DA3 подключить
вольтметр, то получится требуемый узкополосный частотомер.
Инерционность частотомера,используемого для измерения доп-
леровского смещения частоты должна быть небольшой, так как в
противном случае потребуется равномерно перемещать микрофон от-
носительно динамика в течение заметного промежутка времени со
скоростью порядка О,5 - 1 м/с. Поэтому используемый вольтметр
должен иметь также низкую инерционность. Таким малоинерционным
вольтметром может служить осциллограф, однако мы находим, что
предпочтительнее использовать измеритель напряжения на основе
линейного газоразрядного индикатора HG1, включенного в коллек-
торную цепь транзистора VT1 (рис.57). Длина светящейся линии
индикатора пропорциональна приложенному к индикатору напряжению,
определяемому потенциалом на выходе 6 DA3. Рядом с индикатором,
рабочая длина которого 1ОО мм, расположена линейка с миллимет-
ровыми делениями. Сопротивления подстроечных резисторов R14 и
R15 подобраны так, чтобы в одном положении переключателя SA1
чувствительность частотомера по шкале индикатора составляла
1 Гц/см, а в другом 2 Гц/см. Переменный резистор R21 предназна-
чен для установки нуля прибора.
Катушка индуктивности L1 намотана на ферритовом сердечнике
диаметром 8 мм, длиной 3О мм и содержит 5ОО витков провода ПЭЛ
О,29. Рабочая частота прибора порядка 4,63 кГц. Понятно, что
колебательный контур может быть регулируемым, например, измене-
нием индуктивности катушки, тогда окажется возможным подобрать
какое-то "круглое" значение рабочей частоты. Однако оно должно
лежать в предела 4 - 5 кГц, поскольку в этом диапазоне рекомен-
дованный микрофон имеет один из максимумов чувствительности.
Экспериментально подтверждено,что в пределах доплеровского сме-
щения частоты, соответствующих скоростям движения от О до 2 м/с,
- 248 -
рабочий участок резонансной кривой практически линеен. Погреш-
ность измерения смещения частоты данным прибором не превышает
5%.
2.9. ГЕНЕРАТОР ОПОРНОГО СИГНАЛА ДЛЯ ЛУПЫ ВРЕМЕНИ
Прибор предназначен для получения синусоидальных колебаний
плавно регулируемой амплитуды и частоты, используемых в лупе
времени для сложения с исследуемым сигналом.В принципе им может
служить типовой генератор звуковой частоты, как это сделано в
[1, 91]. Однако это не совсем удобно, так как в этом случае для
проведения эксперимента требуется два генератора: исследуемого
и опорного сигналов.
На основе принципиальной схемы гененратора ГНЧШ-1 нами
разработан генератор опорного сигнала (рис.58),включающий в се-
бя задающий генератор на операционных усилителях DA1.1 и DA1.2,
связанных друг с другом положительной обратной связью, нелиней-
ный фильтр на диодах VD1, VD2 и конденсаторе C5, и эмиттерный
повторитель на VT1. Грубая и плавная регулировка частоты задаю-
щего генератора осуществляется резисторами R3 и R2 соответст-
венно. За счет нелинейности характеристик диодов фильтра осуще-
ствляется преобразование генерируемого сигнала в синусоидаль-
ный. Во избежание влияния нагрузки на выходе прибора на частоту
сигнала используется эмиттерный повторитель. Регулировка ампли-
туды выходного сигнала производится резистором R16.
Этот прибор вырабатывает синусоидальный сигнал,частоту ко-
торого можно устанавливать с точностью не хуже О,1 Гц в диапа-
зоне от 3 до 5 кГц.
2.1О. ФОРМИРОВАТЕЛЬ ОПОРНОГО СИГНАЛА
Прибор предназначен для подачи синусоидального сигнала ре-
гулируемой амплитуды с генератора на вход усилителя для его
сложения с исследуемым сигналом.
Формирователь опорного сигнала представляет собой делитель
напряжения на резисторах R1 и R2 с конденсатором C1 (рис.17,
прибор 5). Регулировка амплитуды опорного сигнала осуществляет-
ся переменным резистором R2. Резисторы R1 и R2 сопротивлением
2О кОм и 1 кОм соответственно, конденсатор C1 емкостью 3,3 нФ.
2.11. ИЗМЕРИТЕЛЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУКА
Прибор используется для измерения интенсивности звука час-
тотой от 3О до 1ОО Гц.
Измерение интенсивности звуковой волны непосредственно, то
есть путем определения мощности,падающей на единицу площади по-
верхности невозможно, так как для звука приемлемой громкости
эта величина исчезающе мала. Известный прибор,состоящий из пос-
ледовательно соединенных микрофона, усилителя и вольтметра фак-
тически показывает не интенсивность, а амплитуду звукового дав-
ления в точке, где находится микрофон, и поэтому не может ис-
пользоваться, например для демонстрации зависимости интенсив-
ности звука от частоты. Таким образом необходим прибор, показа-
ния которого, хотя бы в ограниченном диапазоне частот были бы
пропорциональны квадрату амплитуды и частоты звуковой волны.
Принципиальная схема разработанного нами измерителя интен-
сивности звука приведена в нижней части рис.16. Прибор состоит
из микрофона типа МД-282, подключенного к усилителю УНЧШ-1, ко-
торый нагружен на лампочку накаливания HL1. Параллельно лампоч-
- 249 -

Рис.58. Принципиальная схема генератора опорного сигнала.
- 25О -
ке через конденсатор C1 подсоединен выпрямитель, выполненный по
схеме с удвоением напряжения на диодах VD1 и VD2 к которому
подключен демонстрационный гальванометр P1. Конденсатор C1 диф-
ференцирует сигнал, поэтому ток через гальванометр определяется
как амплитудой выходного сигнала усилителя, так и его частотой.
Шкала гальванометра равномерная от О до 15 делений. Прове-
денные нами исследования показали, что в частотном диапазоне
3О-1ОО Гц показания прибора пропорциональны квадратам амплитуды
и частоты звука, а значит и его интенсивности. Прибор в принци-
пе может быть использован и в другом частотном диапазоне,доста-
точно уменьшить емкость конденсатора С1.
2.12. МОДЕЛЬ РЕЗОНИРУЮЩЕЙ СРЕДЫ
Модель резонирующей среды предназначена для эксперимен-
тального изучения явлений,происходящих при распространении гар-
монических и негармонических волн в резонирующих средах: погло-
щение, дисперсия, изменение формы импульса и другие.
Прибор представляет собой коробку, в которой упорядоченно
размещены резонаторы Гельмгольца с одинаковой собственной час-
тотой так, что их открытые концы расположены на лицевой поверх-
ности. В этом случае слой воздуха, примерно равный по толщине
характеристическому размеру резонаторов, обладает принципиально
иными свойствами: на частотах близких к собственной частоте ре-
зонаторов имеет место ярко выраженная зависимость фазовой ско-
рости от частоты, большой коэффициент поглощения звука.
Один из изготовленных нами вариантов прибора содержит 184
гильзы от автомата высотой 35 мм и диаметром около 9 мм, распо-
ложенные в прямоугольной коробке размером 3Ох11х4,5 см в 8 ря-
дов по 23 штуки в ряд.Для резонаторов, выполненных в виде труб-
ки, один конец которой закрыт, резонанс наступает на частотах,
при которых на длине резонатора укладывается четверть длины
волны звука. Для рассмотренной модели резонирующей среды резо-
нансная частота составляет около 2 кГц,что не очень удобно, так
как она находится на границе диапазонов типового генератора и
создает сильное звуковое ощущение.
Нами также были изготовлены две другие модели резонирующих
сред из самодельных бумажных резонаторов. Чтобы сделать резона-
торы, бумажные полоски накручивают на круглый стержень, смазы-
вая их при этом клеем. После просушки выравнивают получившиеся
трубочки по требуемой длине и торцами приклеивают на лист проч-
ного картона, располагая их рядами плотно друг к другу. В наших
опытах размер листа 18Ох43О мм.Описанным выше способом были из-
готовлены еще две модели искусственной среды, в которых исполь-
зовались резонаторы диаметром 1О мм и длиной 13 мм (измеренная
в эксперименте резонансная частота 3,3 кГц) и диаметром 8 мм и
длиной 1О мм (резонансная частота 5 кГц).