实验讲义-音叉实验-2012

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1、]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

2、、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

3、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。81、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，

4、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

5、变大。2、受迫振动8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

6、，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8（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

7、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

8、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