利用波尔共振仪研究受迫振动仿真视频

第三循环 利用波尔共振仪研究受迫振动

一、引言

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。很多电声器件都是运用共振原理设计制作的。本实验中，采用波尔共振仪定量测定机械受迫振动的幅频特性和相频特性，并利用频闪法来测定动态的物理量——相位差。数据处理与误差分析方面的内容也比较丰富。

二、实验原理

1.物体在周期性的外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动，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力作用外，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、速度变化与策动力变化不是同相位的，而是存在一个相位差。当侧动力频率与系统的固有频率相同产生共振，测试振幅最大，相位差为90°。

2.当摆轮受到周期性策动力矩M=M0cost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?bdθ/dt）。受迫振动方程为：

其中

, J为摆轮转动惯量，-k为弹性力矩。方程通解为：

可见受迫振动分为两部分：通解第一项一定时间后衰

第三循环 利用波尔共振仪研究受迫振动

一、引言

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。很多电声器件都是运用共振原理设计制作的。本实验中，采用波尔共振仪定量测定机械受迫振动的幅频特性和相频特性，并利用频闪法来测定动态的物理量——相位差。数据处理与误差分析方面的内容也比较丰富。

二、实验原理

1.物体在周期性的外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动，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力作用外，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、速度变化与策动力变化不是同相位的，而是存在一个相位差。当侧动力频率与系统的固有频率相同产生共振，测试振幅最大，相位差为90°。

2.当摆轮受到周期性策动力矩M=M0cost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?bdθ/dt）。受迫振动方程为：

其中

, J为摆轮转动惯量，-k为弹性力矩。方程通解为：

可见受迫振动分为两部分：通解第一项一定时间后衰

第三循环 利用波尔共振仪研究受迫振动

一、引言

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。很多电声器件都是运用共振原理设计制作的。本实验中，采用波尔共振仪定量测定机械受迫振动的幅频特性和相频特性，并利用频闪法来测定动态的物理量——相位差。数据处理与误差分析方面的内容也比较丰富。

二、实验原理

1.物体在周期性的外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动，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力作用外，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、速度变化与策动力变化不是同相位的，而是存在一个相位差。当侧动力频率与系统的固有频率相同产生共振，测试振幅最大，相位差为90°。

2.当摆轮受到周期性策动力矩M=M0cost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?bdθ/dt）。受迫振动方程为：

其中

, J为摆轮转动惯量，-k为弹性力矩。方程通解为：

可见受迫振动分为两部分：通解第一项一定时间后衰

利用波耳共振仪研究受迫振动

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—频率特性和相位—频率特性（简称幅频和相频特性）。

实验的目的

研究波尔共振仪中弹性摆轮受迫振动的幅频特性和相频特性。 研究不同阻尼矩对受迫振动的影响，观察共振现象。 学习用频闪法测定运动物体的某些量。 实验原理简述

什么是受迫振动？什么是策动力？

受迫振动的相频特性曲线是怎样的？幅频特性曲线是怎样的？ 表征受迫振动的参数有哪几个？

受迫振动的振幅和相位差与哪些因素有关？ 如何利用频闪原理来测定相位差的？ 实验室可提供的主要器材 波耳共振仪

实验内容

测定阻尼系数

测定摆轮的摆幅与周期的关系。

测定空气阻尼及5个电磁阻尼档所对应的阻尼系数。

测定受迫振动的幅频特性与相频特性曲线

至少测出3个不同阻尼下的幅频特性与相频特性曲线，并作比较。 实验中要解决的问题

本实验中有几种测定β值的方法？哪种方法比较好？为什么？

实验中采用什么方法来

波尔共振仪的改进报告

摘 要： 受迫振动所导致的共振现象，在许多领域中，既有实用价值，也有

破坏作用，是工程人员必须面对的。本实验采用波尔共振仪，介绍了波尔共振仪研究机械受迫振动的振幅-频率特性和相位-频率特性（简称幅频特性和相频特性）的方法 ,并阐述了用频闪法测定相位差和用单片机相位差测量的方法 。将改进后的仪器应用于实验中，能使实验变得更方便、有效。

关键词：共振仪; 受迫振动; 相位差; 单片机

一：实验原理

玻尔共振实验主要是研究机械受迫振动的幅频特性和相频特性，观察共振现象。

玻尔共振仪由振动仪、电器控制箱、闪光灯组成。振动仪主要由涡卷弹簧控制的金属摆轮、电磁阻尼线圈、电机驱动的周期性外力矩系统等构成。

实验中，弹簧产生使摆轮回到平衡位置的恢复力矩；铁芯线圈用来产生磁场，金属摆轮在磁场中运动，在摆轮中会产生涡形感应电流，形成电磁阻尼力矩；电动机轴上装有偏心轮，当电机转动时，通过连杆机构使弹簧产生按简谐振动规律变化的形变，形成周期性的强迫力矩。摆轮在这三种力矩共同作用下形成受迫振动。这种受迫振动的稳定状态是简谐振动，其运动方程为：

Id?dt22??k??bd?dt?M0cos??t?

1

式中：I为摆轮的转动惯量；-k?为

实验十六 玻尔共振

振动是物理学中一种重要的运动，是自然界最普遍的运动形式之一。振动可分为自由振动（无阻尼振动）、阻尼振动和受迫振动。振动中物理量随时间做周期性变化，在工程技术中，最多的是阻尼振动和受迫振动，及由受迫振动所导致的共振现象。共振现象一方面对建筑物有破坏作用，另一方面却有许多实用价值能为我们所用。如利用共振原理设计制作的电声器件，利用核磁共振和顺磁共振研究物质的结构等。本实验用波耳共振仪研究阻尼振动和受迫振动的特性。

[实验目的]

1．观察阻尼振动，研究波尔共振仪中弹性摆轮受迫振动的幅频特性和相频特性。 2．观察共振现象，研究不同阻尼力矩对受迫振动的影响。 3．学习闪频法测定运动物体的定态物理量——相位差。

[实验原理]

当一个物体在持续的周期性外力作用下发生振动时，称为受迫振动，周期性外力称为强迫力。若周期性外力按简谐振动规律变化的，则这种受迫振动也是简谐振动。在稳定状态，振幅恒定不变，振幅大小与强迫力的频率、振动系统的固有振动频率及阻尼系数有关。振动系统同时受到阻尼力和强迫力作用，作受迫振动。在稳定状态时物体的位移、速度变化与强迫力变化相位不同，有一个相位差。当强迫力频率与振动系统固有频率相同时会产生共振，此时相位差9

受迫振动研究报告

1. 实验原理

1.1受迫振动

本实验中采用的是伯尔共振仪，其外形如图1所示：

图1

铜质圆形摆轮系统作受迫振动时它受到三种力的作用：蜗卷弹簧B提供的弹性力矩,轴承、空气和电磁阻尼力矩,电动机偏心系统经卷簧的外夹持端提供的驱动力矩。

根据转动定理，有

为驱动力矩的幅值，为驱动力矩的角频率，令

式中，J为摆轮的转动惯量，

则式（1）可写为

式中为阻尼系数，（2）的通解为：

为摆轮系统的固有频率。在小阻尼

条件下，方程

此解为两项之和，由于前一项会随着时间的推移而消失，这反映的是一种暂态行为，与驱动力无关。第二项表示与驱动力同频率且振幅为的振动。可见，虽然刚开始振

动比较复杂，但是在不长的时间之后，受迫振动会到达一种稳定的状态，称为一种简谐振动。公式为：

振幅和初相位（为受迫振动的角位移与驱动力矩之间的相位差）既与振动系统的性质与阻尼情况有关，也与驱动力的频率和力矩的幅度有关，而与振动的初始条件无关（初始条件只是影响达到稳定状态所用的时间）。与由下述两项决定：

1.2共振

由极值条件

可以得出，当驱动力的角频率为

时，受迫振动

一、 问题描述

有阻尼受迫振动的结构及基本原理

图一 有阻尼的受迫振动系统

图1为有阻尼的受迫振动系统，质量为M，摩擦系数为B， 弹簧倔强系数为K。拉力、摩擦力和弹簧力三都影响质量为M的物体的加速度。如果系统的能量守恒，且振动一旦发生，它就会持久的、等幅的一直进行下去。但是，实际上所遇到的自由振动都是逐渐衰减直至最终停止，即系统存在阻尼。阻尼有相对运动表面的摩擦力、液体与气体的介质阻力、电磁阻力以及材料变形时的内阻力等作用。物体在驱动力作用下的振动是受迫振动。

二、 模型分析与建立

利用牛顿运动定律，建立系统的力平衡微分方程如下：

Mdxdt22?Bdxdt?Kx?f(t)

（1）

式中的f (t)是一个外加的激励力，如果 f (t) =F0 sinωt，则称为谐激励力，其中ω为外施激励频率，t是持续时间。故（1）式又可写成：

Mdxdt22

?Bdxdt?Kx?F0sinwt （2）

wn2（2）式是一个线性非齐次方程。令B/M = 2n（n为阻尼系数）），K/M

第七章：

机械振动和机械波

重点难点诠释………………04典型例题剖析………………08 适时仿真训练………………13

重点难点诠释跟踪练习1 已知在单摆a完成10次全振动的时间内，单

摆b完成6次全振动，两摆长之差为1.6 m.则两单摆摆长la与lb分

别为(

)

=2.5 m,lb=0.9 m =0.9 m,lb=2.5 m

=2.4 m,lb=4.0 m=4.0 m,lb=2.4 m

[答案] B

重点难点诠释跟踪练习2 (2007· 上海)在接近收费口的道路上安装了若 干条突起于路面且与行驶方向垂直的减速带，减速带间距为

10 m,当车辆经过减速带时会产生振动.若某汽车的固有频率为1.25 Hz,则当该车以 m/s的速度行驶在此减速区时颠簸 . 得最厉害，我们把这种现象称为

[解析] 汽车每经过一个减速带时，减速带都给汽车一 个向上的力，这个力使汽车上下颠簸，当这个力的频率等于 汽车的固有频率1.25 Hz时，汽车发生共振，振动最厉害.所以 v x ,v=xf=10×12.5=12.5 m/s . 有 f

[答案] 12.5,共振

重点难点诠释跟踪练习3 如图所示，在一根张紧的水 平绳上，悬挂有a、b、c、d、e五个单摆，让 a摆略偏离平衡位

富顺一中学生课堂导学提纲编号：WLTG-选修3-4-2使用时间： 2014-02-25编制：伍度平

1.4 阻尼振动 受迫振动

班级 姓名 小组 【学习目标】

1、通过实验，认识受迫振动的特点

2、知道共振发生的条件以及应用共振和防止共振的事例和方法 【重点难点】

重点：1.知道什么是受迫振动 2.知道共振产生的条件

难点： 理解共振与受迫振动、驱动力之间的关系 【导学流程】 一、了解感知

（一）新课引入

问：上节课我们学习了阻尼振动，怎样才能使受阻力的振动物体的振幅不变，而一直振动下去呢？

引导学生答出，应不断地向系统补充损耗的机械能，以使振动物体的振幅不变。 指出：这种振幅不变的振动叫无阻尼振动。

问：无阻尼振动是否是无阻力振动？引导学生认识到无阻尼和无阻力有不同的含义。

举几个无阻尼振动的例子，例如电铃响的时候，铃锤是做无阻尼振动。电磁打点计时器工作时，打点针是做无阻尼振动。挂钟的摆是做无阻尼振动。无阻尼振动的共同特点是：工作时振动物体不断地受到周期性变化外力的作用。 （二）初步学习

阅读课本13、14、1