波尔共振仪实验研究.pdf

波尔共振仪实验研究 在机械制造和建筑工程等科技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注意, 既有破 坏作用，但也有许多实用价值众多电声器件是运用共振原理设计制作的此外，在微观科学研究中“共 振”也是一种重要研究手段，例如利用核磁共振和顺磁贡研究物质结构等 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，并利用频闪方法来测定动态 的物理量 ---- 相位差数据处理与误差分析方面内容也较丰富 一、实验目的 1、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、研究不同阻尼力矩对受迫振动的影响，观察共振现象 3、学习用频闪法测定运动物体的某些量，例相位差 4、学习系统误差的修正 三、实验仪器 ZKY-BG 型波尔共振仪由振动仪与电器控制箱两部分组成振动仪部分如图1-3 所示：由 铜质圆形摆轮 A安装在机架上，弹簧B的一端与摆轮 A的轴相联，另一端可固定在机架支柱上，在弹 簧弹性力的作用下，摆轮可绕轴自由往复摆动在摆轮的外围有一卷槽型缺口，其中一个长形凹槽D长出 许多在机架上对准长型缺口处有一个光电门H，它与电气控制箱相联接， 用来测量摆轮的振幅 （角度值） 和摆轮的振动周期。

在机架下方有一对带有铁芯的线圈K，摆轮 A恰巧嵌在铁芯的空隙，利用电磁感应原 理，当线圈中通过直流电流后，摆轮受到一个电磁阻尼力的作用改变电流的数值即可使阻尼大小相应变 化为使摆轮 A作受迫振动在电动机轴上装有偏心轮，通过连杆机构E带动摆轮 A，在电动机轴上装有 带刻线的有机玻璃转盘F，它随电机一起转动由它可以从角度读数盘G读出相位差调节控制箱上的十 β1 β2 β3 β1β2β3 ω/ωn 图1-1 ω/ωn β1 β2 β1β2 -π -π/2 0 φ 图1-2 圈电机转速调节旋钮， 可以精确改变加于电机上的电压，使电机的转速在实验范围 （30-45 转/ 分）内连续 可调，由于电路中采用特殊稳速装置、电动机采用惯性很小的带有测速发电机的特种电机，所以转速极为 稳定电机的有机玻璃转盘F 上装有两个挡光片在角度读数盘G中央上方 90 0 处也有光电门（强迫力矩 信号） ，并与控制箱相连，以测量强迫力矩的周期 受迫振动时摆轮与外力矩的相位差利用小型闪光灯来测量闪光灯受摆轮信号光电门控制，每当摆轮 上长型凹槽 C 通过平衡位置时，光电门H接受光，引起闪光闪光灯放置位置如图（1-3）所示搁置在底 座上，切勿拿在手中直接照射刻度盘。

在稳定情况时，由闪光灯照射下可以看到有机玻璃指针F好象一直 “停在”某一刻度处，这一现象称为频闪现象，所以此数值可方便地直接读出，误差不大于2 0 摆轮振幅是利用光电门H测出摆轮读数 A处圈上凹型缺口个数，并在液晶显示器上直接显示出此值， 精度为 2 0 波耳共振仪电气控制箱的前面板和后面板分别如图1-4 和图 1-5 所示 电机转速调节旋钮，系带有刻度的十圈电位器，调节此旋钮时可以精确改变电机转速，即改变强迫力 矩的周期刻度仅供实验时作参考，以便大致确定强迫力矩周期值在多圈电位器上的相应位置 图 1-3 波尔振动仪 1. 光电门 H；2. 长凹槽 D；3. 短凹槽 D；4. 铜质摆轮A；5. 摇杆 M ；6. 蜗卷弹簧B； 7. 支承架； 8. 阻尼线圈K；9. 连杆 E；10. 摇杆调节螺丝；11. 光电门 I ；12. 角度 盘 G；13. 有机玻璃转盘F；14. 底座； 15. 弹簧夹持螺钉L；16. 闪光灯 可以通过软件控制阻尼线圈内直流电流的大小，达到改变摆轮系统的阻尼系数的目的选择开关可分 4档， “阻尼 0”档阻尼电流为零，“阻尼 1”档电流约为 280mA ， “阻尼 2”档电流约为 300mA ， “阻尼 3”档 电流最大，约为 320mA ，阻尼电流由恒流源提供，实验时根据不同情况进行选择（可先选择在“2”处，若 共振时振幅太小则可改用“1” ，切不可放在“ 0”处） ，振幅不大于 150。

闪光灯开关用来控制闪光与否，当按住闪光按钮、摆轮长缺口通过平衡位置时便产生闪光，由于频闪 现象，可从相位差读盘上看到刻度线似乎静止不动的读数（实际有机玻璃 F 上的刻度线一直在匀速转动） ， 从而读出相位差数值，为使闪光灯管不易损坏，采用按钮开关，仅在测量相位差时才按下按钮 电机是否转动使用软件控制，在测定阻尼系数和摆轮固有频率 0 与振幅关系时，必须将电机关断 电气控制箱与闪光灯和波尔共振仪之间通过各种专业电缆相连接不会产生接线错误之弊病 三、实验原理 物体在周期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强迫力如果外力是 图 1-4 波耳共振仪前面板示意图 1、液晶显示屏幕2、方向控制键3、确认按键4、复位按键 5、电源开关6、闪光灯开关7、强迫力周期调节电位器 图 1-5 波耳共振仪后面板示意图 1、电源插座（带保险）2、闪光灯接口3、阻尼线圈 4、电机接口5、振幅输入6、周期输入7、通讯接口 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，振幅的大小与强 迫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 强迫力的作用外，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、速度变化与强迫力 变化不是同相位的，存在一个相位差当强迫力频率与系统的固有频率相同时产生共振，此时振幅最大， 相位差为 90° 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来研究受迫振动特性， 可直观地显示机械振动中的一些物理现象 当摆轮受到周期性强迫外力矩 tcosMM 0 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 dt d b ）其运动方程为 tcosM dt d bk dt d J 0 2 2 （1） 式中， J为摆轮的转动惯量，k 为弹性力矩， 0 M 为强迫力矩的幅值，为强迫力的圆频率 令 J k 2 0 ， J b 2 ， J m m 0 则式（1）变为 tcosm dt d 2 dt d 2 0 2 2 （2） 当 0tcosm 时，式（ 2）即为阻尼振动方程 当 0 ，即在无阻尼情况时式（ 2）变为简谐振动方程， 0 即为系统的固有频率方程（2）的通解 为 )tcos()tcos(e 02f t 1 （3） 由式（3）可见，受迫振动可分成两部分： 第一部分， )tcos(e f t 1 表示阻尼振动，经过一定时间后衰减消失。

第二部分，说明强迫力矩对摆轮做功，向振动体传送能量，最后达到一个稳定的振动状态 振幅 2222 2 0 2 4)( m （4） 它与强迫力矩之间的相位差为 )TT( TT2 tg 2 0 2 2 0 2 2 0 1 （5） 由式（4）和式（5）可看出，振幅 2与相位差 的数值取决于强迫力矩m 、频率、系统的固有频率 0 和阻尼系数四个因素，而与振动起始状态无关 由 0]4)[( 2222 2 0 极值条件可得出，当强迫力的圆频率 2 2 0 2 时，产生共振， 有极大值若共振时圆频率和振幅分别用 r、r表示，则 2 2 0r 2 （6） 2 2 0 r 22 m （7） 式（6） 、 （7）表明，阻尼系数越小，共振时圆频率越接近于系统固有频率，振幅 r 也越大图1-1 和图 1-2 表示出在不同时受迫振动的幅频特性和相频特性 四、实验内容 1．1．测定阻尼系数 β 从液显窗口读出摆轮作阻尼振动时的振幅数值θ1、θ2、θ3,,θn，利用公式 n nTt t Tn e e 0 )( 0 0 lnln （8） 求出β 值，式中 n 为阻尼振动的周期次数， θn为第 n 次振动时的振幅， T 为阻尼振动周期的平均 值。

此值可以测出 10 个摆轮振动周期值，然而取其平均值 进行本实验内容时，电机电源必须切断，指针F放在 0°位置，θ0通常选取在 130-150 之间 2. 测定受迫振动的幅度特性和相频特性曲线 保持阻尼档位不变， 选择强迫振荡进行实验， 改变电动机的转速， 即改变强迫外力矩频率 ω 当受 迫振动稳定后，读取摆轮的振幅值， 并利用闪光灯测定受迫振动位移与强迫力间的相位差（控制在 10° 左右） 强迫力矩的频率可从摆轮振动周期算出，也可以将周期选为“×10”直接测定强迫力矩的10 个周 期后算出，在达到稳定状态时，两者数值应相同前者为4 位有效数字，后者为5 位有效数字 在共振点附近由于曲线变化较大，因此测量数据相对密集些，此时电机转速极小变化会引起很 大改变电机转速选钮上的读数 （例 2.50 ）是一参考数值， 建议在不同 ω时都记下此值， 以便实验中快速 寻找要重新测量时参考 五、波尔共振仪控制箱的使用方法 1、开机介绍 按下电源开关后 , 屏幕上出现欢迎界面， 其中 NO.0000X为控制箱与主机相连的编号过几秒钟后屏幕 上显示如图一“按键说明”字样符号“”为向左移动；“”为向右移动；“”为向上移动；“”向 下移动。

下文中的符号不再重新介绍 2、自由振荡 在图一状态按确认键 , 显示图二所示的实验类型 , 默认选中项为自由振荡 , 字体反白为选中 (注意做实 验前必须先做自由振荡 , 其目的是测量摆轮的振幅和固有振动周期的关系) 再按确认键显示 : 如图三 用手转动摆轮 160 度左右，放开手后按“”或“”键, 测量状态由“关”变为“开”, 控制箱开 始记录实验数据 , 振幅的有效数值范围为： 160-50( 振幅小于 160 测量开，小于 50 测量自动关闭 ) 测量 显示关时 , 此时数据已保存并发送主机 查询实验数据 , 可按“”或“”键, 选中回查 , 再按确认键如图四所示，表示第一次记录的振幅为 134，对应的周期为1.442 秒，然后按“”或“”键查看所有记录的数据, 该数据为每次测量振幅相 对应的周期数值 , 回查完毕 , 按确认键 , 返回到图三状态 , 若进行多次测量可重复操作, 自由振荡完成后 , 选 中返回, 按确认键回到前面图二进行其它实验 3、阻尼振荡 在图二状态下 , 根据实验要求 , 按“”键, 选中阻尼振荡 , 按确认键显示阻尼 : 如图五阻尼分三个 按键说明 →选择项目 →改变工作状态 确定→功能项确定 图一 实验步骤 自由振荡阻尼振荡强迫振荡 图二 阻尼 0 振幅 测量关 00 回查返回 周期 Ⅹ1 = 秒(摆轮 ) 图三 阻尼 0 振幅 134 测量查 01 ↑↓按确定键返回 周期 Ⅹ1 = 01.442 秒(摆轮) 图四 阻尼选择 阻尼 1 阻尼 2 阻尼 3 图五 10 0 阻尼 1 振幅 测量关 00 回查返回 周 期Ⅹ = 秒（摆轮） 图六 档次, 阻尼 1 最小, 根据自己实验要求选择阻尼档, 例如选择阻尼 1 档, 按确认键显示 : 如图六 用手转动摆轮 160 度左右，放开手后按“”或“”键, 测量由“关”变为“开”并记录数据, 仪器 记录十组数据后 , 测量自动关闭 , 此时振幅大小还在变化 , 但仪器已经停止记数。

阻尼振荡的回查同自由振荡类似, 请参照上面操作若改变阻尼档测量, 重复阻尼一的操作步骤即可 4、强迫振荡 仪器在图二状态下 , 选中强迫振荡 , 按确认键显示 : 如图七 (注意: 在进行强迫振荡前必须选择阻尼档, 否则无法实验 )默认状态选中电机 按“”或“”键, 电机启动但不能立即进行实验, 因为此时摆轮和电机的周期还不稳定, 待稳定 后即周期相同时 , 再开始测量 测量前应该先选中周期， 按“”或“”键把周期由 1( 如图七 )改为 10(如 图八),( 目的是为了减少误差 , 若不改周期 , 测量无法打开 ) 待摆轮和电机的周期稳定后, 再选中测量 , 按 下“”或“”键, 测量打开并记录数据 : 如图八可进行同一阻尼下不同振幅的多次测量, 每次实验数 据都进行保留。