利用波尔共振仪研究受迫振动文档格式.docx
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在机械制造和建筑工程等领域中,受迫振动所导致的共振现象引起工程技术人员极大关注。
它既有破坏作用,也有实用价值。
很多电声器件都是运用共振原理设计制作的。
另外,在微观科学研究中,“共振”也是一种重要的研究手段。
例如:
利用核磁共振和顺磁共振研究物质结构等。
表征受迫振动性质是受迫振动的振幅一频率特性和相位一频率特性(简称幅频特性和相频特性)。
波尔共振仪被普遍用于研究扭摆的阻尼振动和受迫振动。
木实验通过其测最摆幅与时间关系测星阻尼系数,并定量测定机械受迫振动的幅频特性和相频特性,其中利用了频闪方法來测定相位差。
最后观测摆轮从静止开始,在不同受迫力作用下的运动情况。
通过本实验更深刻的体现了受迫振动性质,并学会运用不同方法测阻尼系数。
二、实验原理
1、受迫振动和共振
受迫振动指物体在周期外力的持续作用下发生的振动,这种周期性的外力称为策动力。
如果外力是按简谐振动规律变化,那么稳定状态时的受迫振动也是简谐振动。
此时,振幅保持恒定,振幅的大小与策动力的频率和原振动系统无阻尼时的固有振动频率以及阻尼系数有关。
在受迫振动状态下,系统除了受到策动力的作用外,同时还受到回复力和阻尼力的作用。
所以在稳定状态时物体的位移与策动力变化相位不同,而是存在一个相位差。
当策动力频率与系统的固有频率相同时,系统产生共振,振幅最大,相位差为90°
。
2、振动方程
实验采用摆轮在弹性力矩作用下自由摆动,在电磁阻尼力矩作用下作受迫振动來研究受迫振动特性,可直观地显示机构振动中的一些物理现象。
当摆轮受到周期性策动力矩M=M0cosa)t的作用,并在有空气阻尼和电磁阻尼的媒质中运动时(阻尼力矩为
其运动方程为:
d20dO
]^-^=~k0—b—+MQcosa)tatLat
J为摆轮的转动惯最,k为弹性力矩,Mo为强迫力矩的幅值,3为策动力角频率。
令^o2=p2卩=*ni=y
上式变为
d20d07
28—+=mcosa)t
dt2rdtu
当mcoscot=
=0时,此式即为阻尼振动方程。
对此方程进行常微分方程求解,得到其通解为:
0=0逹一肌cos(3f+a)+02COS(3t+0)
由通解可见,受迫振动可分成两部分:
第一部分:
02一风cos(3f+a)和初始条件有关,经过一定时间后衰减消失,它表征
了阻尼振动;
-32)2+4/?
2以
第二部分:
02cos^t+<
#>
)说明强迫力矩对摆轮作功,向振动体传送能量,最后达到一个稳定的振动状态。
它与策动力矩之间的相位差为:
稳定状态下受迫振动运动状况取决于策动力矩Mo,频率3,系统的固有频率5)和阻尼系数0这四个因素,而与振动的初始状态无关。
用02对3做偏导,可得当极值条件时,强迫力的圆频率吗=尼-2"
此时即产生共振,振幅有极大值。
此时的振幅是务=m/2g厨_2毋。
可以看出,阻尼系数0越小,共振时圆频率接近于系统固有越率,共振的振幅也振幅越大。
理论上当阻尼/?
趋近丁0时,$•趋近丁•无穷,这也是有时共振可以产生极强的破坏力的原因。
3、幅频相频特性曲线
以为横坐标,摆轮的振幅为纵坐标作图,所得曲线即为振幅频率特性曲线:
So
以X=丄为横坐标,摆轮与策动力Z间的和位舉为纵坐标作图,所得曲线即为相位频率特性曲线。
通过这两条曲线可以表征受迫振动的性质。
振幅与相位差随X的变化规律应为:
当振幅达到极值时,自变<
%r=丿1一2俨/必对于2/?
2«
诡,X=1时,幅频特
性曲线达到极值,而相频曲线相交ran/2)o
4、阻尼系数的计算
当振动系统做阻尼振动时,其振幅随时间的变化规律为
0=恥”耳
本实验中采用了3种方法计算阻尼系数:
8对丫耳作图,并将其进行e抬数拟合,可直接得到B的数值
求e的白然对数InB,有ln0=ln6>
!
-/?
StpIn0对Yq进行直线拟合,其斜率值即为
连续测最10组振幅q,i=1,2-10,并记录总周期10T。
计算111-^,由公式可知,
S+5
ln-^=STpt即可算出久
W+5
5、过阻尼,欠阻尼与临界阻尼
任何振动系统,当阻尼增加到一定程度时,物体的运动是非周期性的,物体振动连一次都不能完成,只是慢慢回到平衡位置就停il.To当阻力使振动物体刚能不作周期性振动而乂能最快地回到平衡位置的情况,称为“临界阻尼”状态。
相对于临界阻尼,如
果阻尼再增大,系统则需要较长时间才能达到平衡位置,这样的运动叫“过阻尼”状态;
如果阻尼减小,系统发生多次振动,振幅则逐渐减小,址后达到平衡位置,这叫做“欠阻尼”状态。
这三种阻尼系统的振动曲线如右图所示:
6、频闪法测臺相位差
闪光灯受摆轮信号灯电门控制,每当摆轮上长形凹權通过平衡点时,光电门接受光,触发闪光。
有机玻璃跟随策动力偏心轮旋转,角度刻度与策动力完全同步。
闪光灯放在有机玻璃前,在稳定情况下,在闪光灯照射下可看到有机玻璃指针好像一直“停在'
臬一刻度,这一现象称为频闪现象,此值可方便直接读出,误差不大于2。
,为相位差。
三、实验装置及过程
1、测定摆轮的摆幅与周期的关系
1)阻尼档放在0处,将波尔共振仪打开,并预热5分钟左右
2)拨动弹性摆轮使其振动,确保其可以正常工作
3)将波尔共振仪调至测量单次周期,测量摆轮周期
4)将相位盘的示数放在零刻度处,拨动摆轮到175度左右,略微停顿后松手使摆轮开始振动
5)记录每组出现的周期©
和对应振幅匕,直到振幅达到10度以下
6)将振幅®
对周期耳作图,寻找二者■之间的关系
2、测定空气的阻尼系数
1)不测量新的数据,在实验1的数据基础上对其进行处理
2)多次测量的单个周期进行加和得到
3)振幅®
对时间作图,并对其进行e抬数拟合,可得到阻尼系数卩
4)求振幅0的白然对数In®
5)|;
|然对数1叫对时间作图,并对其进行线性拟合,可得到阻尼系数|3
3、测定阻尼系数
1)关闭仪器,阻尼档放在1处,并间隔5分钟左右再打开仪器
2)将波尔共振仪调至测量10次周期,测量摆轮周期
3)将相位盘的示数放在零刻度处,拨动摆轮到175度左右,略微停顿后松手使摆轮开始振动
4)从第一个在150度左右的数据开始记录,连续记录十次振幅®
读取10次振动的总周期
5)计算In寻由公式可知,In占-=577?
即可算出“。
6+5et+5
4、测出幅频特性与相频特性曲线
1)阻尼档仍放在1处,相位盘的示数放在零刻度处
2)波尔共振仪调至测量单次周期,测量摆轮周期
3)将强迫力周期旋钮调至0.5,并打开电机,使摆轮受迫振动,待周期值与振幅值稳定后(连续10次数据未发生改变)进行读数
4)记录摆轮周期(与强迫力矩周期相等),摆轮振幅,并使用闪光灯使相位差的指针在视网膜上形成暂留,读取相位差数值
5)从振幅周期关系表中读取固有周期数值
6)强迫力周期每次增大0.5,并且在相位差靠近90度后将步长改为0.2或0.1,重复(3)(4)两步,直到强迫力周期达到10.0
5、改变阻尼档测量
1)关闭仪器,阻尼档放在2处,并间隔5分钟左右再打开仪器,重复步骤3,4的实验
2)关闭仪器,阻尼档放在3处,并间隔5分钟左右再打开仪器,重复步骤3,4的实验
5、观测摆轮从静止开始,在不同受迫力作用下的运动情况
1)关闭仪器,阻尼档放在2处,并间隔5分钟左右再打开仪器
2)将强迫力周期旋钮调至10,并打开电机,使摆轮受迫振动
3)从第一有次示数开始,记录摆轮的振幅值,直到数据点足够多(>100)
4)改变强迫力周期为9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,3.0,1.0,重复实验
5)将振幅Q对i作图,并与过阻尼、欠阻尼及临界阻尼现象作比较
6、观测摆轮从静止开始,在不同阻尼作用下的运动情况
1)将强迫力周期旋钮调至1.0,并不再改变
2)关闭仪器,阻尼档放在1处,并间隔5分钟左右再打开仪器
3)打开电机,使摆轮受迫振动
4)从第一有次示数开始,记录摆轮的振幅值,直到数据点足够多(>100)
5)改变阻尼为0,3,4,5,重复实验
实际所用实验器材型号:
BG-2型波尔共振仪
四、实验结果
1、测定摆轮的摆幅与周期的关系
根据测得数据,以振幅为横坐标,周期为纵坐标作图如下:
从图中可以看出,周期随着时间的变化并不明显,在振幅小于40度时,并无特别规律;
当振幅大丁•40度时,周期基本随若振幅的增大而减小。
这种周期的变化幅度在仪器可测量范围内变化率为£
=鬻=1.9%。
1.585s
2、测定空气的阻尼系数
(1)根据附表1中数据,振幅®
对时间作图,并对其进行e指数拟合,可得到阻尼系数/?
:
拟合公式为B=虹尹恥
珀=181±
1
p=(7.14±
0.05)X10一%一1
(2)求振幅E的自然对数
1110,
白然对数In®
对时间为耳作图,并对其进行线性拟A(考虑到额外的误差,选取图线中线性关系较好的一段进行拟合),可得到阻尼系数“:
拟合公式为11】8=ln0]-辽q
ln^i=5.165±
0.001
0204C60SO10012014015
on
p=(6.33±
0.01)X10%一1
3、测定加汕电磁阻尼的阻尼系数
连续测量10组振幅1=1,2-10,并记录总周期10T。
计算lnj-・由公式可知,°
i+5
In臭=5邛,即可算出0。
8汁5
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