[实用新型]一种用音叉来研究受迫振动与共振的实验装置

说明书

技术领域

本实用新型属于教学实验仪器技术领域，具体涉及一种用音叉来研究受迫振动与共振的实验装置。

背景技术

受迫振动与共振等现象在工程和科学研究中经常用到。如在建筑、机械等工程中，经常须避免共振现象，以保证工程的质量。而在一些石油化工企业中，常用共振原理，利用振动式液体密度传感器和液体传感器，在线检测液体密度和液位高度，所以受迫振动与共振是重要的物理规律受到物理和工程技术广泛重现。传统的受迫振动以及共振的实验仪器多采用电机做振动源，外围机械装置结构复杂，调节不方便，实验过程繁琐。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、操作方便、实验现象明晰的研究受迫振动与共振的实验装置。

本实用新型所提供的研究受迫振动与共振的实验装置，其结构如图1所示。包括金属底板1、音叉2、砝码及阻尼块、探测线圈4、振动线圈5、探测信号输出端6和振动信号输入端7，其中：

所述音叉2通过一个竖直放置的固定座将其水平固定在金属底板1上方，在音叉2的水平中心位置标记为砝码及阻尼块的固定位置3，振动线圈5、探测线圈4靠近音叉2两臂前端外侧，且相互对应，线圈与音叉2两臂间有一定振动空间；振动线圈5、探测线圈4两个线圈内部接线通过固定座分别连接至振动信号输入端7和探测信号输出端6。

本实用新型中，所述金属底板采用45号钢加工制成，底部安装有橡皮支撑脚，这样可以提高振动系统稳定性。

本实用新型中，所述音叉2要求水平安装，并且在音叉臂中段某一位置确定为砝码及阻尼块3的固定位置，并在该位置做标记，用于加载砝码及阻尼块3。

本实用新型中，所述探测线圈4和振动线圈5必须靠近音叉臂但留有一定振动空间，即振动时音叉臂不能够接触两个线圈，另外，探测线圈4和振动线圈5中心固定有铁氧体磁芯，以增加振动和探测的灵敏度。

本实用新型中，所述探测信号输出端6采用大Q9插座与探测线圈4相连，连接线从线圈固定端和金属底板1内部穿过；同样，所述振动信号输入端7采用大Q9插座与探测线圈5相连，连接线从线圈固定端和金属底板1内部穿过，这样在装置表面就看不出有引线。

本实用新型提供的研究受迫振动与共振的实验装置，用音叉振动系统为研究对象，用电磁激振线圈的电磁力作为激振力，用探测线圈作检测振幅传感器，测量受迫振动系统振动振幅与驱动力频率的关系，研究受迫振动与共振现象及其规律，该装置还可以测量共振频率与音叉双臂质量的关系以及研究不同阻尼力情况下的共振频率。该装置结构简单，实验现象明晰，操作方便，可以用于大专院校普通物理实验以及设计性研究性物理实验。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构示意图。

图2 速度共振幅频曲线和位移共振幅频曲线。其左图速度共振幅频曲线采用探测线圈来接收信号得到，右图位移共振幅频曲线此阿勇压电换能器来接收信号得到。

图中标号：1为金属底板，2为音叉，3为砝码及阻尼块的固定位置，4为探测线圈，5为振动线圈，6为探测信号输出端，7为振动信号输入端。

具体实施方式

本实用新型中，正弦波的振动信号通过振动信号输入端7接入振动线圈5中，在电流作用下，振动线圈5产生交流变化的电磁场，使得音叉2做受迫振动，此时探测线圈4可以产生交流变化的感应电动势，通过探测信号输出端6将感应信号输出至示波器或者交流电压表；通过检测感应信号的幅度，可以探知音叉振动幅度的大小。实验中，通过连续改变输入振动线圈的信号频率，可以观察到探测线圈输出信号的幅度的变化情况，存在一个频率可以使得音叉的振动幅度最大，对应的该频率即为音叉的固有频率。

本实用新型中，音叉臂的中间标有砝码和阻尼块的固定位置3，实验时，可以将不同质量的砝码块固定在该位置，因为音叉的共振频率和音叉臂质量有关，通过多组砝码可以得到一个砝码质量与音叉共振频率的线性关系，根据所获得的关系曲线就可以测量未知质量的砝码。应用这种特性可以制成各种音叉传感器，如液体密度传感器、液位传感器等。所以测量该特性可以让实验者了解传感器的一些基本设计原理。

本实用新型中，在固定位置3处还可以用磁钢固定阻尼板。金属底板1上可以用培养皿盛装一些待测液体，并将阻尼板下端浸入液体中，加信号后，音叉振动受到阻尼力的作用，并且音叉共振频率和液体阻尼力的有关，通过测量音叉的共振频率大小，应用比较法就可以计算出不同液体的阻尼大小。

本实用新型中，通过探测线圈4测量的是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，如图2中左图所示。实验装置中还可以将压电换能器粘结在探测线圈4一侧的音叉臂上，相应的将输出信号接到示波器或者交流电压表上，因为音叉在发生受迫振动时，随着位移不断变化，振动臂恢复力也发生变化，且当驱动力大时，振动臂位移也大，所以压电换能片所测量到的电压值与位移成正比，可以看出采用压电换能片测量到的曲线应为位移共振幅频曲线，如图2右图所示。从图2中可以看出两种曲线的不同，速度共振幅频曲线明显存在“左陡右缓”的趋势，而位移共振幅频曲线则没有这种趋势。