STEM 课外活动 · 动手制作 / 提出问题 / 探索原理

看不见的力。
亲手做出的作品。

扬声器把电信号变成空气的振动。金属探测器则感知附近金属对线圈工作状态的影响。一起来探索这两件作品内部看不见的过程。

这是原理模型，不是接线指南。 动画大幅放慢并放大了运动。图中展示的是各部分的关系，并非电子的实际速度、精确结构或套件的实测性能。所有实验均无声。
01

蓝牙音箱 · 运动

扬声器里为什么要有磁铁？

永磁体提供稳定的磁场。音圈中的电流反向时，音圈受到的磁场力也随之反向。与音圈相连的振膜一起运动，使空气产生压力变化。

扬声器剖面示意慢动作模型
NNS 1234
  1. 1固定磁铁
  2. 2可动音圈
  3. 3相连的振膜
  4. 4振动的空气

磁铁并不直接拉动纸质振膜。磁场力作用在通电的音圈上，音圈再带动与它相连的振膜。声波向外传播时，空气粒子只在各自平衡位置附近振动。

音频电流 · 周期性变化

改变一个条件，观察随之发生的变化。

振幅越大 → 振膜运动幅度越大。调到零：音频电流与运动都停止，但磁铁仍然存在。

每秒振动次数越多 → 音调越高。仅改变音调，不会改变设定的振幅。

已暂停。点击播放或单步，观察电流变化。

电流经过零点。

预测 → 观察 → 解释

保持音调不变，把音量设定加倍。波形的什么发生了变化？什么没有变？再把音量调到零：永磁体消失了吗？

深入一点：磁场、力与时序

音圈位于磁铁的间隙中。电流在磁场中受到力的作用；电流反向，力也反向。箭头展示的是理想化的周期。真实振膜具有质量和悬挂结构，因此在不同频率下，电流、力和位移不一定同时达到峰值。

02

蓝牙音箱 · 信号与能量

信号发出指令，电源提供能量。

功率放大器让较小的音频信号能够驱动扬声器。它控制来自电源的能量，并不创造能量；蓝牙也不会通过无线方式给扬声器供电。

追踪音频信号信号 ≠ 电能
  1. 1手机数字音频
  2. 2蓝牙模块接收与解码
  3. 3功率放大器控制电源能量
  4. 4扬声器音圈 → 振膜 → 空气
5 V 电源功放与蓝牙模块电能 → 运动、声音与热
较小的输入信号
扬声器驱动信号

虚线表示模型中的供电限制。波形展示的是简化的音频信号，并不展示功放的内部电路。

没有电源，也能输出更大的信号吗？

提高增益，信号就会变大。但增益过高时，电源无法支持所需的输出，波形峰顶会变平，这叫削波。

已供电：输出是输入信号的放大版本。

预测 → 观察 → 解释

断开电源。手机里可能仍有音乐，但断电的蓝牙模块与功放还能驱动扬声器吗？重新接通电源并提高增益。为什么输出不能无限增大？

能量去了哪里？

额外的输出能量来自电源。一部分转化为声音，但很大一部分成为电子元件和音圈中的热。增益改变信号大小，并不会让节奏加快。套件的音量旋钮调节音频电平，另一只显示灵敏度旋钮则调节 LED 电平指示的响应。

03

金属探测器 · 振荡衰减

磁场的小变化，触发清晰的报警。

CAI-175 套件采用印制线圈和晶体管振荡器。说明书指出，附近的金属会增加能量损耗，使振荡减弱或停止，随后由输出级接通 LED 和有源蜂鸣器。

线圈与附近的金属原理响应模型
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  1. 1印制线圈
  2. 2变化的磁场
  3. 3目标材料
振荡强度100%
未报警LED 与有源蜂鸣器 · 无声模型
探测振荡 · 并非蜂鸣器的可闻音调

变化的磁通量可在导电金属中感应出环形电流，即涡流。涡流会消耗能量，并改变线圈周围的磁场。这套电路检测的是由此造成的振荡衰减；模型不会通过音调变化来表示探测结果。

让目标逐渐靠近线圈。

近远

当振荡强度低于此值时，模型便会报警。阈值越高，越小的衰减就能触发报警，但无关的变化也更容易造成误触发。

金属距离较远。振荡继续，未触发报警。

预测 → 观察 → 解释

把塑料和金属放在相同距离，比较结果。为什么冰箱磁铁吸不住铝，探测器却能检测到它？慢慢把金属移近：报警状态改变之前，先发生了什么？

模型省略了什么？

说明书标出了 L1/L2 印制线圈、Q1 S9018 和 Q2/Q3 S9012 级。实际调节会让电路工作在接近起振阈值的位置。这里用单一强度计和报警阈值来简化这一过程；它不是经过标定的距离模型，也不是电路仿真。金属种类、大小、方向和磁性同样会影响结果。

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认识电路里的协作团队

小元件，各有分工。

选择一个元件，了解它的作用。元件的具体任务取决于它在电路中的位置，实际接线请参照套件说明书。

电阻

限制电流或设定电压。在音箱套件中，可变电阻调节音频电平；在探测器中，调节元件用来设定工作点。

这些模型如何对应我们的套件？

音箱说明书标注 TJ-56-527A，包含 MH-M18 蓝牙模块、4 Ω／3 W 扬声器和 KA2284 LED 电平指示电路。元件清单与原理图中的功放名称不一致，因此本页只解释其功能，不假定具体芯片型号。探测器说明书标注 CAI-175。这些模型用于辅助理解，不能替代任何一套套件的装配说明。

继续探索

使用万用表训练器练习测量，或前往交互学习资源。

动手制作前

使用套件规定的低压电源。焊接或更改接线前先断电，避免短路并检查极性。在教师监督下焊接，佩戴护目镜并保持通风。本活动不接触市电。

资料来源与模型说明

套件识别依据是提供的 TJ-56-527A 和 CAI-175 说明书。图示为原创教学模型，参考照片不在网站公开展示。