[发明专利]一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列

说明书

本发明提供一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，该声光转换阵列由若干个声光转换单元并联构成，所述声光转换单元主要由声信号拾取模块、信号放大模块、信号采集处理模块以及声强度和相位显示模块构成；所述声信号拾取模块将声音信号转换为电信号，所述信号采集处理模块将经所述信号放大模块放大后的电信号转换为数字量，处理后输出PWM信号，通过控制双色LED的发光亮度和颜色来反映声音信号的强度和相位。本发明的信号采集精度高、稳定性强、亮度和颜色显示控制精准，提高了声音信号频率检测范围；本发明所用的电子元件数量少、尺寸小，便于小尺寸高密度集成，易于安装至驻波管内壁，便于研究管内的声波特性。

技术领域

本发明涉及物理实验教学仪器技术领域，具体是一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列。

背景技术

驻波是由振幅、频率、振动方向均相同而传播方向相反的两列波迭加而成的，例如由扬声器发出的入射声波在管内的另一端发生反射并与入射声波干涉形成驻波。

在利用昆特管演示声驻波的实验中，可观察到环形飞溅的煤油浪花，其中液体振动最激烈的点，称为波腹；液体静止不动，振幅最小的点称为波节。在昆特管中驻波的波腹处，空气振动剧烈，气压小，从而吸起该处的煤油，使得波腹处的煤油飞溅；而在驻波的波节处，驻波能量极小，且两侧波腹处的空气向此聚集，气压大，将此处煤油下压，使得煤油只能向两侧(波腹位置)流动。最终两者达到动态平衡，形成了在实验中看到的“喷泉”现象。利用昆特管演示声驻波，噪声大，不能反映空气振动的相位，使用过程中有一定的危险性，使用后管内仍有煤气残留。

一种感音声驻波演示装置(专利号：ZL201520438503.7)通过对采集的声音信号进行模拟放大直接驱动双色LED发光，虽然可以显示声驻波的强度和相位，但是控制不够精准，导致双色LED发光亮度和颜色与实际声强和相位差别较大，尤其是在低频情况下，且对声音信号频率的检测相应只能做到3.5KHz以下。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列。

本发明的技术方案为：

一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，该声光转换阵列由若干个声光转换单元并联构成，所述声光转换单元主要由声信号拾取模块、信号放大模块、信号采集处理模块以及声强度和相位显示模块构成；

所述声信号拾取模块，用于将声音信号转换为电信号；

所述信号放大模块，用于将所述声信号拾取模块输出的电信号放大，并输出至所述信号采集处理模块；

所述信号采集处理模块，用于将所述信号放大模块输出的电信号转换为数字量，经过处理后输出PWM信号控制所述声强度和相位显示模块；

所述声强度和相位显示模块，用于根据所述信号采集处理模块输出的PWM信号，通过控制双色LED的发光亮度和颜色来反映声音信号的强度和相位。

所述的用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，所述声信号拾取模块包括四个独立的转换通道，所述转换通道包括咪头、上拉电阻和信号输出耦合电容；

所述信号放大模块包括具有四个反相输入端、四个同相输入端和四个输出端的四通道集成运算放大器、四通道独立的输入电阻、四通道独立的反馈电阻和第一电源滤波电容；

所述信号采集处理模块包括单片机、第一并联接口、第二并联接口、第二电源滤波电容和复位接口；

所述声强度和相位显示模块包括四个双色LED和四个限流电阻；

所述咪头的一端接地，另一端通过所述上拉电阻连接到第一电源电压并且通过所述信号输出耦合电容与所述输入电阻的一端连接，所述输入电阻的另一端与四通道集成运算放大器的四个反相输入端一一对应连接；