阅读说明：本技术 一种交互式音叉共振装置 (Interactive tuning fork resonance device ) 是由 刘莹 杜伯源 任泳键 孙润桐 崔新宇 潘尚峰 杨建新 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：一种交互式音叉共振装置,包括音叉起振装置以及同轴且均为环柱状的外圈部分、中圈平台和内圈平台,其中中圈平台能够沿中轴转动；音叉起振装置包括中央运动系统、连杆系统和音叉系统,中央运动系统设置于轴心,连杆系统包括末端带有敲击小球的若干组连杆装置,音叉系统包括固定在中圈平台上的若干频率不完全相同的中圈音叉以及与中圈音叉一一对应的球摆机构,以及固定在内圈平台上的若干内圈音叉,内圈音叉涵盖的频率与中圈音叉涵盖的频率相同,且内圈音叉的数量少于中圈音叉的数量,敲击小球与各内圈音叉一一对应,中央运动系统通过连杆系统带动各敲击小球敲击各内圈音叉。利用本发明,使用者可通过主动探索了解声波传递与共振的原理。(An interactive tuning fork resonance device comprises a tuning fork vibration starting device, an outer ring part, a middle ring platform and an inner ring platform which are coaxial and all in a ring column shape, wherein the middle ring platform can rotate along a central shaft; the tuning fork vibration starting device comprises a central motion system, a connecting rod system and tuning fork systems, the central motion system is arranged at the axis, the connecting rod system comprises a plurality of groups of connecting rod devices with knocking small balls at the tail ends, the tuning fork systems comprise a plurality of middle-ring tuning forks with incompletely identical frequencies, ball pendulum mechanisms in one-to-one correspondence with the middle-ring tuning forks and a plurality of inner-ring tuning forks fixed on inner-ring platforms, the frequencies of the tuning forks covered by the inner rings are identical to the frequencies covered by the middle-ring tuning forks, the number of the inner-ring tuning forks is less than that of the middle-ring tuning forks, the knocking small balls are in one-to-one correspondence with the inner rings of the tuning forks, and. By using the invention, a user can learn about the principles of sound wave transmission and resonance by actively exploring.)

一种交互式音叉共振装置

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，特别涉及一种交互式音叉共振装置。

背景技术

共振现象是生活中十分常见的一种物理现象。关于共振现象的演示装置的专利主要包括作为展品的演示装置，如：《共振演示仪》，(专利号：ZL201721873392.8，公开号：CN208298431U)；和作为教具的演示装置，如：《一种共振演示仪及其演示方法》(专利号：ZL201610913200.5，公开号：CN106340230B)。这些共振现象演示装置仅有一组具有相同固有频率的共振介质，且起振大多靠手动敲击一个音叉起振，或者通过仪器直接起振，即通过仪器直接产生一组固定频率的波(声波、机械波、电磁波等)。这使得这些装置的交互性较弱，且仅能展示一种共振状态，没有共振与非共振状态的对比，无从突出共振所需的频率条件。

发明内容

为了克服已有音叉共振演示装置的不足，展示声波的传递和声波共振现象，本发明的目的在于提供一种交互式音叉共振装置，以电机等作为动力源，驱动连杆机构敲击内圈不同频率的音叉，使内圈音叉振动发声后，转动中圈，使内圈、中圈不同频率音叉相互靠近，当同频率音叉靠近时中圈对应音叉产生共振现象。同时，使用者可观察靠近中圈音叉表面的小球，当中圈音叉产生共振时小球被音叉的运动弹起，将共振的视觉、听觉效果放大。使用者在控制中圈旋转时，对比观察不同频率音叉靠近时小球是否弹起，通过主动探索了解声波传递与共振的原理。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种交互式音叉共振装置，包括桌体及桌面装置和音叉起振装置，其特征在于：

所述桌体及桌面装置包括同轴且均为环柱状的外圈部分8、中圈平台7和内圈平台10，其中中圈平台7能够沿中轴转动；

所述音叉起振装置包括中央运动系统、连杆系统和音叉系统，其中，中央运动系统设置于桌体及桌面装置的轴心，连杆系统包括末端带有敲击小球21的若干组连杆装置，音叉系统包括固定在中圈平台7上的若干频率不完全相同的中圈音叉以及与中圈音叉一一对应的球摆机构，以及固定在内圈平台10上的若干内圈音叉，内圈音叉涵盖的频率与中圈音叉涵盖的频率相同，且内圈音叉的数量少于中圈音叉的数量，敲击小球21与各内圈音叉一一对应，中央运动系统通过连杆系统带动各敲击小球21敲击各内圈音叉。

优选地，本发明还包括平台支撑结构，所述平台支撑结构包括：

固定并支撑内圈平台10的内侧轴34；

连接并支撑中圈平台7的上支架24、法兰结构25和外侧轴30，外侧轴30上设置有大同步带轮29；

以及内侧轴34下方的下支架33；

其中，外圈部分8安装有手轮39，手轮39连接转轴37，转轴37上设置有同步带轮36，同步带轮36向大同步带轮29传递动力。

优选地，本发明还包括限位机构，所述限位机构包括设置于下支架33上的碰珠机构支架28，碰珠机构支架28顶端设置碰珠机构27，碰珠机构27的顶部为球形，与法兰结构25下表面的碰珠槽26匹配。

优选地，所述中央运动系统包括机械能输入装置17、套筒16和中央平台15，中央平台15位于桌体及桌面装置的中心位置，机械能输入装置17为直线电机，直线电机的推杆与套筒16通过销轴过盈连接，完全限制二者之间的相对运动，套筒16通过焊接固定在中央平台15下端，直线电机的推杆、套筒16和中央平台15形成一个刚体，共同做竖直平动。

优选地，所述连杆装置通过水平的转动副连接中央运动系统，若干组连杆装置均匀分布在圆周方向上，敲击小球21固定在最外侧连杆20末端。

优选地，所述中央平台15外侧沿圆周方向均匀分布铰接端，用于与最内侧连杆23通过销轴间隙连接，从而实现最内侧连杆23相对中央平台15的上下转动，最内侧连杆23与最外侧连杆20，最外侧连杆20与连杆支撑柱19，也通过销轴间隙连接实现连接。

优选地，所述中圈音叉包括两个相隔180°的低频音叉一1、两个相隔180°的中频音叉一6和两个相隔180°的高频音叉一9，所述球摆机构包括六个小球支架3，小球支架3为倒L形，竖杆底端固定在中圈平台7上，横杆末端通过水平的转轴2连接小球摆杆4的顶端，小球摆杆4的底端固定有小球5，各小球5与各中圈音叉一一对应并接触。

优选地，所述内圈音叉包括低频音叉二22，中频音叉二18和高频音叉二14。

优选地，六个所述中圈音叉在圆周上呈60°等间距分布，三个所述内圈音叉在圆周上呈120°等间距分布，三组所述连杆装置在圆周上呈120°等间距分布。

优选地，所述低频音叉一1和低频音叉二22的频率为256Hz，所述中频音叉一6和中频音叉二18的频率为512H，所述高频音叉一9和高频音叉二14的频率为1024Hz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过对连杆机构的合理设计，在中央推杆单程运动的过程中，连接敲击小球的连杆能够实现落下、击打、离开音叉的三个步骤。这样，相比传统中央推杆去程运动实现连杆落下和敲击，回程运动实现连杆抬起的方案，本发明既能够提高敲击频率，又能够避免出现急停返回动作，从而降低对输入源的工作能力要求。

本发明利用在圆周方向均匀布置连杆及音叉的方式，通过中央运动系统为唯一输入，保证了几个敲击小球敲击的力度、时间、位置均相同。这种对称布置连杆及音叉的方式，不仅能够实现单输入产生多输出的效果，还起到控制变量的作用。

本发明利用电机作为动力源，可以精确控制运动的频率和速度，还可以实现连续敲击音叉的功能，以便于观众观察共振现象。

本发明通过设置能够旋转的中圈平台及限位装置，观众可以转动手轮操作中圈旋转，并使不同频率的音叉相互靠近，使该发明具有极强的互动性；内圈音叉被激振后，当同频率的音叉相互靠近时，中圈对应音叉会产生较强共振，进而将靠在该音叉表面的小球弹起，这采用了科学研究中的等效法和放大法，将不明显的音叉振动、不易理解的声波传递转化为更加宏观的小球运动并实现可视化；不同音叉对齐时小球的运动状态并不相同，这能够激发观众的好奇心，促进观众独立思考、对比现象，理解声波传播与共振的原理。

附图说明

图1是本发明的整体效果示意图。

图2是本发明的敲击机构示意图。

图3是本发明的支撑及传动机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种交互式音叉共振装置，基于放大法和电控敲击发声，其总体思路包括：

首先，为了更明显地展示出共振与频率间的关系，采用了三组频率不同的音叉用于对比演示，且观众可以改变不同频率音叉的间距，主动参与到产生共振的环节中。利用这种交互性更强的装置，观众能更主动地探索、思考，认识到共振仅发生于具有相同固有频率的物体之间。同时，根据受迫阻尼振动方程可得，当输入角频率与受迫振动音叉的固有角频率相差超过20Hz时，受迫振动音叉吸收的能量几乎为0。因此，只要不同频率音叉的固有频率相差超过20Hz就不会互相影响。其次，本装置的起振模块为：经过特殊设计的连杆结构带动小锤对中圈部分的音叉进行敲击，达到起振的效果。与观众手动敲击相比，该装置简化了观众的操作，提升了敲击的一致性，控制变量，也让观众直观地观察到发生共振的是两个具有相同固有频率的音叉。

本发明的具体结构可参考图1，主要包括了一套桌体及桌面装置和一个音叉起振装置，其中：

桌体及桌面装置包括同轴且均为环柱状的外圈部分8、中圈平台7和内圈平台10，其中中圈平台7能够沿中轴转动，即中圈平台7是可转动的，而外圈部分8和内圈平台10则可为固定部分；

音叉起振装置主要包括中央运动系统、连杆系统和音叉系统，其中，中央运动系统设置于桌体及桌面装置的轴心，连杆系统包括末端带有敲击小球21的若干组连杆装置，音叉系统包括固定在中圈平台7上的若干频率不完全相同的中圈音叉以及与中圈音叉一一对应的球摆机构，以及固定在内圈平台10上的若干内圈音叉，内圈音叉涵盖的频率与中圈音叉涵盖的频率相同，且内圈音叉的数量少于中圈音叉的数量，敲击小球21与各内圈音叉一一对应，中央运动系统通过连杆系统带动各敲击小球21敲击各内圈音叉。

本实施例中，中圈音叉包括两个相隔180°的低频音叉一1、两个相隔180°的中频音叉一6和两个相隔180°的高频音叉一9，六个中圈音叉在圆周上呈60°等间距分布。相应地，球摆机构包括六个小球支架3，小球支架3为倒L形，竖杆底端固定在中圈平台7上，小球摆杆4的底端固定有小球5，小球支架3的横杆末端通过水平的转轴2连接小球摆杆4的顶端，从而限制小球5和摆杆4运动的自由度，防止中圈平台7旋转时加速度影响小球5运动。各小球5与各中圈音叉一一对应并接触，即，在静止状态下小球5靠在音叉表面，在音叉共振时小球5能弹起较大角度。内圈音叉则包括一个低频音叉二22，一个中频音叉二18和一个高频音叉二14，三个内圈音叉在圆周上呈120°等间距分布。

参见图2，本实施例中，中央运动系统包括机械能输入装置17、套筒16和中央平台15，套筒16提供了机械能输入装置17与中央平台15之间的接口。中央平台15位于桌体及桌面装置的中心位置，机械能输入装置17为直线电机，直线电机的推杆与套筒16通过销轴过盈连接，完全限制二者之间的相对运动，套筒16通过焊接固定在中央平台15下端，直线电机的推杆、套筒16和中央平台15形成一个刚体，在直线输入动力源作用下，推杆通过套筒16推动中央平台15，共同在竖直方向上平动。

相应地，三组连杆装置在圆周上呈120°等间距分布，本实施例中，连杆装置通过水平的转动副连接中央运动系统，连杆装置包括了最内侧连杆23、连杆支撑柱19和最外侧连杆20。具体地，中央平台15外侧沿圆周方向均匀分布铰接端，用于与最内侧连杆23的前端通过销轴间隙连接，从而实现最内侧连杆23相对中央平台15的上下转动，最内侧连杆23的末端与最外侧连杆20的杆身，最外侧连杆20的前端与连杆支撑柱19的顶端，也通过销轴间隙连接实现连接，敲击小球21固定在最外侧连杆20末端，具体可通过胶粘方式固接。

其中，低频音叉一1和低频音叉二22的频率为256Hz，中频音叉一6和中频音叉二18的频率为512H，高频音叉一9和高频音叉二14的频率为1024Hz。

参考图3，为进行必要的基础支撑和实现中圈平台7的旋转功能，本发明提供了一种可行的平台支撑结构，其包括：

固定并支撑内圈平台10的内侧轴34，为了让直线电机的推杆通过，内侧轴34采用大内孔设计；

连接并支撑中圈平台7的上支架24、法兰结构25和外侧轴30，法兰结构25在外侧轴30上方，上支架24安装于法兰25结构上以支撑中圈平台7，外侧轴30下方有端盖32对轴承31进行密封，外侧轴30上设置有大同步带轮29，中圈平台7的旋转有赖于外侧轴30的驱动；

以及内侧轴34下方的下支架33；

其中，为驱动中圈7转动，在外圈部分8上安装有手轮39，手轮39连接转轴37，转轴37上设置有同步带轮36，同步带轮36向大同步带轮29传递动力。使用转轴37带动同步带轮36，利用同步带35驱动外侧轴上的大同步带轮29转动，通过外侧轴30、法兰结构25、支架24带动中圈平台7及其上的六个中圈音叉和球摆机构等转动。

同时，为实现间歇运动功能，中圈平台7的旋转使用了限位机构，限位机构包括设置于下支架33上的碰珠机构支架28，碰珠机构支架28顶端设置碰珠机构27，碰珠机构27的顶部为球形，与法兰结构25下表面的碰珠槽26匹配，这使得中圈平台7转过一定角度后碰珠机构27的碰珠进入碰珠槽26而产生阻力，阻碍中圈平台7继续转动，达到间歇运动的效果。

本实施例的工作原理：

观众按动启动按钮11，可机械能输入装置17做上下往复运动，带动中央平台15上下往复平动。通过连杆装置，中央平台15的上下往复平动转化为三套连杆装置的定轴往复转动，从而驱动三套连杆装置上的敲击小球21分别、同时、连续敲击低频音叉二22、中频音叉二18、高频音叉二14，使其各自产生不同频率的振动。观众转动手轮39，可驱动中圈平台7转动，限位装置可指示观众将各频率的内圈音叉和中圈音叉相互靠近；若同频率的音叉靠近，则中圈音叉产生较强共振，进而将靠在该音叉表面的小球5弹起。观众对比观察不同频率的音叉靠近时小球5的运动，进而探索声波传播与共振的原理。