音叉振动周期的平方与质量成正比

音叉振动周期的平方与质量成正比

音叉的受迫振动与共振实验

 

一、预备问题

1、  实验中策动力的频率为200Hz时，音叉臂的振动频率为多少？

 2、实验中在音叉臂上加砝码时，为什么每次加砝码的位置要固定？

二、引言

实际的振动系统总会受到各种阻力。系统的振动因为要克服内在或外在的各种阻尼而消耗自身的能量。如果系统没有补充能量，振动就会衰减，最终停止振动。要使振动能持续下去，就必须对系统振子施加持续的周期性外力，以补充因各种阻尼而损失的能量。振子在周期性外力作用下产生的振动叫做受迫振动。当外加的驱动力的频率与振子的固有频率相同时，会产生共振现象。

音叉是一个典型的振动系统，其二臂对称、振动相反，而中心杆处于振动的节点位置，净受力为零而不振动，我们将它固定在音叉固定架上是不会引起振动衰减的。其固有频率可因其质量和音叉臂长短、粗细而不同。音叉广泛应用于多个行业，如用于产生标准的“纯音”、鉴别耳聋的性质、用于检测液位的传感器、用于检测液体密度的传感器、以及计时等等。

本实验借助于音叉，来研究受迫振动及共振现象。用带铁芯的电磁线圈产生不同频率的电磁力，作为驱动力，同样用电磁线圈来检测音叉振幅，测量受迫振动系统振动与驱动力频率的关系，研究受迫振动与共振现象及其规律。具有不直接接触音叉，测量灵敏度高等特点。

 

三、实验原理

1、音叉的电磁激振与拾振

将一组电磁线圈置于钢质音叉臂的上下方两侧，并靠近音叉臂。对驱动线圈施加交变电流，产生交变磁场，使音叉臂磁化，产生交变的驱动力。接收线圈靠近被磁化的音叉臂放置，可感应出音叉臂的振动信号。由于感应电流 , 代表交变磁场变化的快慢,其值大小取决于音叉振动的速度,速度越快,磁场变化越快,产生的电流越大,从而使测得的电压值越大。所以,接收线圈测量电压值获得的曲线为音叉受迫振动的速度共振曲线。相应的输出电压代表了音叉的速度共振幅值。

 

1、简谐振动与阻尼振动

物体的振动速度不大时，它所受的阻力大小通常与速率成正比，若以F表示阻力大小，可将阻力写成下列代数式：

                                                  （1）

式中γ是与阻力相关的比例系数，其值决定于运动物体的形状、大小和周围介质等的性质。

物体的上述振动在有阻尼的情况下，振子的动力学方程为：

                  

其中m为振子的等效质量， 为与振子属性有关的劲度系数。

令 ，代入上式可得：

                                             （2）

式中 是对应于无阻尼时的系统振动的固有角频率， 为阻尼系数。

当阻尼较小时，式（2）的解为：

                                            （3）

式中 。

由公式(3)可知，如果 =0，则认为是无阻尼的运动，这时 ，成为简谐运动。在 ≠0，即在有阻尼的振动情况下，此运动是一种衰减运动。从公式 可知，相邻两个振幅最大值之间的时间间隔为：                       

                                                （4）

与无阻尼的周期 相比，周期变大。

2、受迫振动

实际的振动都是阻尼振动，一切阻尼振动最后都要停止下来．要使振动能持续下去，必需对振子施加持续的周期性外力，使其因阻尼而损失的能量得到不断的补充．振子在周期性外力作用下发生的振动叫受迫振动，而周期性的外力又称驱动力．实际发生的许多振动都属于受迫振动．例如声波的周期性压力使耳膜产生的受迫振动，电磁波的周期性电磁场力使天线上电荷产生的受迫振动等。

为简单起见，假设驱动力有如下的形式：

            

式中 为驱动力的幅值， 为驱动力的角频率。

振子处在驱动力、阻力和线性回复力三者的作用下，其动力学方程成为

                                      （5）

仍令 ，得到：

                                     （6）

微分方程理论证明，在阻尼较小时，上述方程的解是：

                      （7）

式中第一项为暂态项，在经过一定时间之后这一项将消失，第二项是稳定项．在振子振动一段时间达到稳定后，其振动式即成为：

                                          （8）

应该指出，上式虽然与自由简谐振动式（即在无驱动力和阻力下的振动）相同，但实质已有所不同．首先其中 并非是振子的固有角频率，而是驱动力的角频率，其次A 和 不决定于振子的初始状态，而是依赖于振子的性质、阻尼的大小和驱动力的特征。事实上，只要将式（8）代人方程（6) ，就可计算出

                 （9）

                                             （10）

 其中：

在稳态时，振动物体的速度

                       （11）

其中                                 （12）

3、共振

在驱动力幅值 固定的情况下，应有怎样的驱动角频率 才可使振子发生强烈振动？这是个有实际意义的问题。下面分别从振动速度和振动位移两方面进行简单分析。

3.1 速度共振

从相位上看，驱动力与振动速度之间有相位差 ，一般地说，外力方向与物体运动方向并不相同，有时两者同向，有时两者反向。同向时驱动力做正功，振子输人能量；反向时驱动力做负功，振子输出能量。输人功率的大小可由 计算。设想在振子固有频率、阻尼大小、驱动力幅值 均固定的情况下，仅改变驱动力的频率 ，则不难得知，如果满足最大值 时，振子的速度幅值 就有最大值。

由 可得：

， ，这时 ，

由此可见，当驱动力的频率等于振子固有频率时，驱动力将与振子速度始终保持同相，于是驱动力在整个周期内对振子做正功，始终给振子提供能量，从而使振子速度能获得最大的幅值。这一现象称为速度共振。速度幅值 随ω的变化曲线如图1所示。

显然 或 值越小， ~ω关系曲线的极值越大。描述曲线陡峭程度的物理量一般用锐度表示，其值等于品质因素：

                              （13）

其中 为 对应的频率， 、 为 下降到最大值的0.707倍时对应的频率值。

   

     图1  速度共振曲线                 图2  位移共振曲线

3.2、位移共振

驱动力的频率ω为何值时才能使音叉臂的振幅A 有最大值呢？对式（9）求导并令其一阶导为零，即可求得A的极大值及对应的ω值为：

                                           （14）

                                                （15）

由此可知，在有阻尼的情况下，当驱动力的圆频率 时，音叉臂的位移振幅A 有最大值，称为位移共振，这时的ω＜ω₀。位移共振的幅值A随ω的变化曲线如图2所示。

由（14）式可知，位移共振幅值的最大值与阻尼 有关。阻尼越大，振幅的最大值越小；阻尼越小，振幅的最大值越大。在很多场合，由于阻尼 很小，发生共振时位移共振幅值过大，从而引起系统的损坏，这是我们需要十分重视的。

    比较图1和图2可知，速度共振和位移共振曲线不完全相同。对于有阻尼的振动系统，当速度发生共振时，位移并没有达到共振。其原因在于，对于作受迫振动的振子在平衡点有最大幅值的速度时，其运动时受到的阻力也达到最大，于是在平衡点上的最大动能并没有能全部转变为回转点上的势能，以致速度幅值的最大并不对应位移振幅的最大．这就是位移共振与速度共振并不发生在同一条件下的原因．显然，如果阻尼很小，两种共振的条件将趋于一致，这一点也可从图2的位移共振曲线清楚地看出来。

4、音叉的振动周期与质量的关系

从公式（4） 可知，在阻尼 较小、可忽略的情况下有：        

                                                （16）

这样我们可以通过改变质量m，来改变音叉的共振频率。我们在一个标准基频为256Hz的音叉的两臂上对称等距开孔，可以知道这时的 变小，共振频率 变大；将两个相同质量的物块m_X对称地加在两臂上，这时的 变大，共振频率 变小。从式（16）可知这时：

                                              (17)

    其中k为振子的劲度系数，为常数，它与音叉的力学属性有关。m₀为不加质量块时的音叉振子的等效质量，m_X为每个振动臂增加的物块质量。

    由式（17）可见，音叉振动周期的平方与质量成正比。由此可由测量音叉的振动周期来测量未知质量，并可制作测量质量和密度的传感器。

四、实验仪器

音叉受迫振动与共振实验仪包括260Hz左右基频的钢质音叉，2个电磁激振线圈、阻尼装置、4对加载质量块（由小到大为5g一对、10g两对、15g一对,其中一对10g的可以作为未知质量块）、测试架、音频信号发生器、三位半2V交流数字电压表等。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                

 

             

                          音叉受迫振动与共振实验仪

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

实验装置连线图

 

五、实验步骤

1、将实验架上的驱动器连线接至实验仪的驱动信号的“输出”端，实验架上的接收器接至实验仪的测量信号“输入”端。驱动波形和接收波形的输出可以连接到示波器观测。测量信号“输入”端内部与交流电压表相连。

连接好仪器后接通电源，使仪器预热10分钟。

2、测量不同状态下音叉的速度幅频特性、以及相应的共振频率和输出电压U_max。

  音叉的不同状态包括自由（无阻尼）状态和不同阻尼状态（要求至少测量两种不同的阻尼状态）。测量时应先找到大概的共振频率，同时选择一个合适的驱动信号输出幅度（选定后整个实验过程中保持不变），然后按照频率由低到高，测量数字电压表示值U与驱动信号的频率f之间的关系（数据表格如下图所示），注意在共振频率附近数据应密集一些，确保找准共振频率。

  驱动信号输出幅度：                 阻尼大小：

f (Hz)				……
U（V）				……

 

3、在无阻尼状态下，将不同质量块（5g、10g、15g、20g、25g）分别加到音叉双臂指定的位置上，并用螺丝旋紧。测出音叉双臂对称加相同质量物块时，相对应的共振频率。记录m~f关系数据，（数据表格如下图所示）。

m（g）
f (Hz)

                    

六、数据处理

   1、找出音叉在不同阻尼下（包括零阻尼）作受迫振动时的共振频率及相应的U_max。

   2、在同一个坐标系中绘制不同阻尼下（包括零阻尼）的U~f关系曲线。求出两个半功率点f₂和f₁，计算音叉的锐度（Q值）。并对结果进行分析。

   3、绘制周期平方T²与质量m的关系图，分析其特点和意义。

 

七、注意事项

   1、实验中所测量的共振曲线是在策动力恒定的条件下进行的，因此实验中手动测量共振曲线或者计算机自动测量共振曲线时，都要保持信号发生器的输出幅度不变。

2、加不同质量砝码时注意每次的位置一定要固定，因为不同的位置会引起共振频率的变化。

3、驱动线圈和接收线圈距离音叉臂的位置要合适，距离近容易相碰，距离远信号变小。测量共振曲线时驱动线圈和接收线圈的位置确定后不能再移动，否则会造成曲线失真。

 

八、拓展问题

  1、平移阻尼块的位置，可能会发生什么现象？

  2、在重复测量时，前后的实验结果可能不完全一致，可能的原因有哪些呢？

 

九、参考文献

1、《大学物理教程》 第一册 第二版 吴锡珑 主编   高等教育出版社

2、《音叉的速度共振与位移共振曲线的测量和研究》  倪敏 薛珍美

—《实验室研究与探索》　2010年第2期