Сотрудники кафедры

Программы курсов

Научная работа школьников

Наши достижения в 1999-2000 учебном году

Кафедра физики готовит команды для участия в:

Установка для визуализации звукового поля

(Игорь Радченко)

Разработана установка для визуализации звукового поля. В основе метода лежит получение картин распределения поверхностей равной фазы звуковых волн.

Определение: Пару точек А и В мы будем считать принадлежащим поверхностям равной фазы, если фаза сигнала в точке А отличается от фазы сигнала в точке В на величину, кратную 2p.

В установке используется следующий принцип. Сигнал, поступающий от генератора синусоидального сигнала подается на динамик. В облучаемую область помещается два микрофона. Положение одного из микрофонов фиксируется. Сигнал, принимаемый этим микрофоном будем называть опорным сигналом. Для получения картины распределения поверхностей равной фазы необходимо найти множество точек, фаза сигнала в которых отличается на величину, кратную 2p. относительно фазы опорного сигнала. Для этой цели второй микрофон перемещаем в пространстве. Для каждой точки пространства, через которую проходит второй микрофон определяем разность фаз между сигналами то микрофонов. Регистрируем координаты точек, в которых фаза отличается на величину, кратную 2p. Такие точки будут принадлежать поверхностям равной фазы.

Данный принцип реализован следующим образом.

Звуковой излучатель - динамик подключается к генератору синусоидального сигнала. Один из двух электретных микрофонов типа МКЭ-3 фиксируется при помощи штатива. Второй микрофон размещается на датчике перемещения.

Для пары точек М₁ и М₂ принадлежащих поверхностям равной фазы, зависимости давления от времени совпадают. Значит, если сигналы, принимаемые от двух микрофонов совпадают, то эти точки принадлежат поверхностям равной фазы. Для того, чтобы зафиксировать совпадение по фазе, сигналы необходимо усилить. Для выполнения этой задачи был разработан двухканальный усилитель - ограничитель. Каждый канал состоит из трех каскадов. С помощью этого усилителя сигнал в 3-10 мВ усиливается примерно в 10⁸ раз и ограничивается так, что на выходе мы получаем сигнал с амплитудой в 4,9 В по форме очень близкий к меандру. Теперь усиленные сигналы подаются на логический элемент. Длительность низкого уровня сигнала на выходе логического элемента определяется разностью фаз между сигналами. Следовательно, задача определения разноси фаз сводится к задаче определения длительности низкого уровня сигнала на выходе логического элемента. Эта задача возложена на однокристальную ЭВМ. В силу ограничений, связанных с работой усилителей, мы считаем точку принадлежащей поверхности равной фазы, если разность фаз между сигналами менее ±2%. Если однокристальная ЭВМ определила, что точка, в которой находится второй микрофон принадлежит поверхностям равной фазы, то в последовательный порт компьютера передает четырехбайтовый код, содержащий информацию о положении датчика перемещения и, соответственно, второго микрофона в пространстве. Передача информации ведется по стандарту UART на скорости 9600 бит/сек. Расположение второго микрофона однокристальная ЭВМ определяет по сигналам, приходящим от опто - механических датчиков перемещения. В данной установке используются датчики заводского производства от манипулятора "мышь".

Данные, принятые компьютером обрабатываются и отображаются на экране в некотором масштабе. Полученные картины распределения поверхностей равной фазы можно сохранить и потом просмотреть. Так же с помощью специальной программы-конвертера можно преобразовать сохраненную картинку в стандартный bmp-файл.

Работа иллюстрируется картинами распределения поверхностей равной фазы для интерференции волн на щели, отражения звука от плоскости, выпуклой и вогнутой поверхностей. (Расположение излучатилей и поверхностей показано схемотично)