音叉的受迫振动与共振实验

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音叉的受迫振动与共振实验报告

音叉的受迫振动与共振实验报告

音叉的受迫振动与共振实验报告音叉的受迫振动与共振实验报告引言:共振是物理学中一个重要的现象,它在各个领域都有广泛的应用。

本次实验旨在通过研究音叉的受迫振动与共振现象,深入理解其原理和特性。

实验目的:1. 研究音叉在受迫振动下的振动特性;2. 探究音叉共振的条件和特点;3. 分析共振现象的应用领域。

实验装置:1. 音叉:选用频率可调的音叉,以便观察不同频率下的振动现象;2. 电磁振子:用于受迫振动实验,通过电流激励产生振动;3. 示波器:用于观察和记录振动信号。

实验步骤:1. 将音叉固定在支架上,并调整其频率为初始状态;2. 将电磁振子的线圈与音叉相对应的位置,通过电流激励使音叉振动;3. 通过示波器观察和记录音叉的振动信号;4. 逐渐调整电磁振子的频率,观察音叉的振动情况;5. 记录共振出现的频率,并进行数据分析。

实验结果与分析:通过实验观察和记录,我们得到了音叉在受迫振动下的振动特性。

当电磁振子的频率与音叉的固有频率相同时,音叉共振现象明显,振幅增大。

而当频率偏离音叉的固有频率时,振幅逐渐减小,最终趋于平衡。

我们进一步分析了共振现象的条件和特点。

首先,共振现象发生的条件是电磁振子的频率与音叉的固有频率相等。

其次,共振时音叉的振动幅度最大,能量传递最为有效。

最后,共振现象在不同频率下都会出现,但只有在频率接近音叉的固有频率时,共振效应才会显著。

共振现象在实际生活中有广泛的应用。

例如,共振现象在桥梁工程中起到重要作用。

当桥梁受到外力作用时,如果外力频率与桥梁固有频率相近,就会引发共振,导致桥梁振幅增大,甚至发生破坏。

因此,在桥梁设计中需要考虑共振现象,以避免潜在的危险。

结论:通过本次实验,我们深入了解了音叉的受迫振动与共振现象。

我们通过观察和记录音叉的振动信号,研究了共振现象的条件和特点。

同时,我们也了解到共振现象在桥梁工程等领域的应用。

通过这次实验,我们对共振现象有了更深入的认识,也增加了我们对物理学原理的理解。

华中科技大学大学物理实验-受迫振动与共振实验(final)_zhb

华中科技大学大学物理实验-受迫振动与共振实验(final)_zhb

2. 位移共振
A
2
F0
(m
k
)
2

m
2 0
F0
2 2

4 2 2
r 02 2 (位移共振条件)
Ar F0 2m 02 2
r 0
位移共振曲线
音叉的电磁激振与拾振
拾振/接收 线圈
激振/驱动 线圈
激振线圈在正弦交变电流作用下产生交变磁场激振音叉,使之 产生正弦振动。 拾振线圈靠近被磁化的音叉臂另一端放置,由于变化的磁场产生 感应电流输出到交流数字电压表中。
1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 258
U(V)
258.5
259
259.5
260 260.5 f(Hz)
261
261.5
262
262.5
4、测量无阻尼状态下音叉的速度幅频特性以及相应 的共振频率f0和输出电压Umax。 测量范围从f0-2Hz至f0 +2Hz由小往大测,稀疏区Umax 隔约0.1V 取一个点,密集区改变驱动频率 f 的小数点 后倒数第二位(隔0.010Hz)取点。
v max
2
F0
(m ) 2
k
m k 0
( r 0 k ) m
F0 vr 2m
tg
F0 0
k m
速度共振曲线的锐度 (品质因素):
f
速度共振曲线
f0 Q 2 1 f 2 f 1
阻尼: 估测f0: (有或无) Hz, 估测Umax: V, 0.707Umax: V
f (Hz)
Umax (V)

音叉的受迫振动与共振实验预习报告

音叉的受迫振动与共振实验预习报告

音叉的受迫振动与共振实验预习报告一实验目的1. 研究音叉振动系统的受迫振动;2. 研究阻尼对音叉共振曲线的影响;3. 研究音叉双臂负载物的质量与位置对音叉固有频率的影响;二实验原理音叉是一个典型的振动系统,其二臂对称、振动相反,中心杆处于振动的节点位置,净受力为零而不振动。

因此外界对音叉振动的影响很小,音叉保持振动的能力很强,其品质因数(Q 值)很容易达到103的数量级。

音叉的固有频率由其材质和几何形状决定。

1.音叉的阻尼振动和受迫振动如果在驱动线圈上通以正弦信号,音叉振动的动力学方程可以写成:其中x为音叉上某固定点的位移,0为音叉的固有圆频率,δ > 0表征阻尼强度(Q ≡0/2δ),为驱动电压的圆频率,正比于驱动电压的振幅。

2、利用音叉振动测量质量称m0为音叉的等效质量。

改变附加质量,测量对应的振动周期,可以得到音叉的等效质量与等效劲度系数。

需要指出的是,这两个量与固定质量块的位置是有关的。

由此原理可制作测量质量和密度的传感器。

3、音叉振动中的非线性现象音叉振动存在一定的非线性:振动频率与振幅有一定关系,阻尼也不完全与速度成正比。

三实验内容1. 测量音叉的阻尼振动,根据阻尼振动波形计算音叉的固有频率与品质因数。

2. 测量音叉共振的幅频特性曲线,根据共振曲线计算音叉的固有频率与品质因数。

3. 分别测量音叉双臂对称负载不同质量块时的共振频率,计算音叉的等效振子质量;并利用音叉振动频率与负载质量块m 之间的关系,测定未知质量块的质量。

四预习思考题1.驱动线圈和探测线圈都有永磁体芯,其作用是什么?当驱动线圈接近音叉振动臂时,音叉靠近永磁铁的部分被磁化。

我们把音叉被磁化的部分理解为一个小磁铁。

在线圈中通以交变电流,产生一个交变磁场,则小磁铁会受到一个交变的力。

2.我们用标准的受迫振动模型描述音叉的受迫振动,主要做了哪些近似?我们将音叉简化成一个弹簧振子,则振动周期这里m和k分别称为等效质量和等效劲度系数。

音叉的受迫振动与共振实验(共享)

音叉的受迫振动与共振实验(共享)

音叉的受迫振动与共振实验(共享)
音叉是一种能够发出声音的乐器,它的振动频率非常稳定。

在本次实验中,我们将使
用音叉来研究受迫振动和共振的现象。

本实验的目的是通过对音叉在不同频率下的受迫振
动和共振现象的观察,深入了解受迫振动和共振的规律和应用。

实验器材:
音叉、传声器、信号发生器、示波器等。

实验原理:
受迫振动是指物体振动受到外力的影响,强制振动。

外力的大小、方向和频率都会影
响振幅和频率的变化规律。

当外力频率与物体本身的振动频率相同时,就发生了共振现象。

共振能够引起振幅的急剧增加,结构破坏和噪音等问题,因此需要避免。

实验步骤:
第一步:将信号发生器连接到传声器,将传声器与示波器相连,设置示波器为X-Y模式。

第二步:将音叉竖直放置,用橡皮筋固定,用手拨动音叉,使其振动。

用示波器观察
到的波形确认音叉的振动频率。

第三步:将传声器放置在音叉旁,用信号发生器向音叉传递外力,改变外力的频率,
观察到音叉振动的效果,并记录下振幅和频率的变化规律。

第四步:通过调整信号发生器的频率,在相同的频率下观察到共振现象。

并记录下相
应的振幅和频率。

实验结果:
实验结果表明,当信号发生器输出的频率接近音叉自然频率时,音叉的振幅最大。


外力频率不等于音叉自然频率时,振动幅度逐渐减小。

这表明外力频率与音叉自然频率之
间存在着共振现象,声音会变得非常响亮。

然而,外力频率稍高或稍低于音叉自然频率时,振动幅度降至最低。

结论:。

最新实验报告音叉的受迫振动与共振实验

最新实验报告音叉的受迫振动与共振实验

最新实验报告音叉的受迫振动与共振实验实验目的:1. 观察音叉的受迫振动现象。

2. 测定音叉的固有频率。

3. 研究音叉在不同频率下的共振行为。

实验设备:1. 音叉2. 振动平台3. 频率计4. 阻尼液5. 计时器6. 力传感器实验步骤:1. 将音叉固定在振动平台上,确保其可以自由振动。

2. 开启振动平台,逐渐调整频率,记录音叉的振动幅度。

3. 当音叉振动幅度显著增大时,记录此时的频率,即为音叉的固有频率。

4. 继续改变振动平台的频率,观察并记录音叉在不同频率下的振动幅度变化。

5. 使用力传感器测量在共振频率下作用于音叉的力,以分析共振时的能量转换情况。

6. 在实验过程中,通过加入阻尼液来观察阻尼对音叉振动的影响。

7. 使用计时器测量音叉振动的周期,进一步验证其固有频率。

实验数据与分析:1. 记录的固有频率与理论值进行对比,分析可能的偏差原因。

2. 绘制音叉振动幅度随外部驱动频率变化的曲线图,明确共振频率点。

3. 分析阻尼对音叉振动的影响,讨论在实际应用中如何减少能量损失。

4. 通过测量的力值,讨论共振时能量的最大化利用。

实验结论:1. 通过实验观察到了音叉的受迫振动现象,并成功测定了音叉的固有频率。

2. 共振实验表明,在固有频率附近,音叉的振动幅度显著增大,验证了共振现象的存在。

3. 实验中发现,阻尼的存在会减弱音叉的振动幅度,影响其振动性能。

4. 通过实验数据分析,提出了优化音叉设计和应用的建议,以提高其在实际使用中的效率和稳定性。

受迫振动与共振实验

受迫振动与共振实验

f (Hz)

Umax

(V)
将记录数据中速度共振对应点的坐标标记出来,并标明密集区取点 的起止范围.
Velocity Resonance Curve
1.6
Undamped
Damped 1.4
1.2
1
U(V)
0.8
0.6
0.4
0.2
f0
f0
0
261 261.2 261.4 261.6 261.8 262 262.2 262.4 262.6 262.8 263
Umax(V)
T2(s2)
数据处理
1、找出音叉在有、无阻尼情况下作受迫振动时的共振 频率 f0 及相应的Umax,并做比较分析。
2、在同一个坐标系中分别绘制有、无阻尼情况下的 Umax~f 关系曲线。在图中作出两曲线的半功率点,找出 其对应的f1和 f2,分别计算有、无阻尼情况下音叉速度 共振曲线的锐度(Q值),并对结果进行比较分析。
Ar 2m
F0
2 0
2
r 0
位移共振曲线
音叉的电磁激振与拾振
拾振/接收 线圈
激振/驱动 线圈
激振线圈在正弦交变电流作用下产生交变磁场激振音叉,使之 产生正弦振动。 拾振线圈靠近被磁化的音叉臂另一端放置,由于变化的磁场产生 感应电流输出到交流数字电压表中。
I dB dt
d B 决定于音叉振动速度v.
dt
v dB I U dt
∴可用电压表的示数代替速度振幅。电压表量程为2V。
将拾振线圈产生的电信号输入交流数字电压表,可 研究音叉受迫振动系统在周期性外力作用下振幅与 驱动力频率的关系及其锐度,以及在增加音叉阻尼 力的情况下,振幅与驱动力频率的关系及其锐度。

音叉的受迫振动与共振实验报告

音叉的受迫振动与共振实验报告

音叉的受迫振动与共振实验报告
本次实验旨在通过对音叉的受迫振动与共振现象进行观察和研究,以加深对振
动和波动理论的理解,并验证实验中的相关理论知识。

实验过程中,我们使用了音叉、频率计、振动台等仪器,通过调节频率和振幅等参数,观察音叉的振动情况,记录实验数据,并进行分析和总结。

首先,我们将音叉固定在振动台上,通过频率计调节振动台的频率,使其与音
叉的固有频率相同,这时我们观察到音叉振幅明显增大,这就是共振现象。

共振是指当外力的频率与物体自身的固有频率相同时,物体的振幅会急剧增大的现象。

在实验中,我们通过改变振动台的频率,观察到了共振现象的发生,并记录了共振的频率和振幅数据。

其次,我们改变外力的频率,使其不等于音叉的固有频率,这时我们观察到音
叉的振动情况发生了变化,振幅减小,这就是受迫振动。

受迫振动是指外力对物体施加周期性作用力时,物体发生的振动。

在实验中,我们通过改变外力的频率,观察到了受迫振动的现象,并记录了受迫振动的频率和振幅数据。

通过实验数据的记录和分析,我们发现共振频率和受迫振动频率之间存在一定
的关系,共振频率大约等于音叉的固有频率,而受迫振动频率则可以通过外力的频率来控制。

这些实验结果验证了振动和波动理论中有关共振和受迫振动的相关知识,加深了我们对这些理论的理解。

总的来说,本次实验通过对音叉的受迫振动与共振现象进行观察和研究,验证
了振动和波动理论中的相关知识。

实验结果表明,共振频率和受迫振动频率之间存在一定的关系,这对我们进一步理解振动和波动现象具有重要意义。

希望通过本次实验,能够加深对振动和波动理论的理解,为今后的学习和科研工作打下坚实的基础。

受迫振动与共振实验

受迫振动与共振实验

f (Hz)

Umax

(V)
将记录数据中速度共振对应点的坐标标记出来,并标明密集区取点 的起止范围.
Velocity Resonance Curve
1.6 Undamped Damped
1.4
1.2
1
U(V)
0.8
0.6
0.4
0.2
f0
f0
0
261 261.2 261.4 261.6 261.8 262 262.2 262.4 262.6 262.8 263
F0

F0
2 (m k )2 m 02 2 2 4 2 2

r 02 2 (位移共振条件)
Ar
2m
F0

2 0


2
r 0
位移共振曲线
音叉的电磁激振与拾振
拾振/接收 线圈
激振/驱动 线圈
激振线圈在正弦交变电流作用下产生交变磁场激振音叉,使之 产生正弦振动。 拾振线圈靠近被磁化的音叉臂另一端放置,由于变化的磁场产生 感应电流输出到交流数字电压表中。

v

dx dt

vmax
cos (t




2
)
vmax
F0
2 (m k )2
共振
1. 速度共振
F F0 cos t
v

dx dt

vmax
cos (t



2
)
vmax
F0
2 (m k )2
m k 0
(r 0
k) m

音叉的受迫振动

音叉的受迫振动

音叉的受迫振动与共振(实验预习报告)【实验目的】1.研究音叉振动系统在驱动力作用下振幅与驱动力频率的关系,测量并绘制它们的关系曲线,求出共振频率和振动系统振动的锐度。

2.通过对音叉双臂振动与对称双臂质量关系的测量,研究音叉共振频率与附在音叉双臂一定位置上相同物块质量的关系。

3.通过测量共振频率的方法,测量附在音叉上的一对物块的未知质量。

4.在音叉增加阻尼力情况下,测量音叉共振频率及锐度,并与阻尼力小情况进行对比。

【实验仪器】FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪(包括主机和音叉振动装置)、加载质量块(成对)、阻尼片、电子天平(共用)、示波器(选做用)【实验装置及实验原理】一.实验装置及工作简述FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪主要由电磁激振驱动线圈、音叉、电磁线圈传感器、支座、低频信号发生器、交流数字电压表(0~1.999V)等部件组成(图1所示)1.低频信号输出接口2.输出幅度调节钮3.频率调节钮4.频率微调钮5.电压输入接口6.电源开关7.信号发生器频率显示窗8.数字电压表显示窗9.电压输出接口10.示波器接口Y11.示波器接口X12.低频信号输入接口13.电磁激振驱动线圈14.电磁探测线圈传感器15.质量块16.音叉17.底座18.支架19. 固定螺丝图1 FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪装置图在音叉的两双臂外侧两端对称地放置两个激振线圈,其中一端激振线圈在由低频信号发生器供给的正弦交变电流作用下产生交变磁场激振音叉,使之产生正弦振动。

当线圈中的电流最大时,吸力最大;电流为零时磁场消失,吸力为零,音叉被释放,因此音叉产生的振动频率与激振线圈中的电流有关。

频率越高,磁场交变越快,音叉振动的频率越大;反之则小。

另一端线圈因为变化的磁场产生感应电流,输出到交流数字电压表中。

因为I=dB/dt,而dB/dt取决于音叉振动中的速度v,速度越快,磁场变化越快,产生电流越大,电压表显示的数值越大,即电压值和速度振幅成正比,因此可用电压表的示数代替速度振幅。

实验报告音叉的受迫振动与共振实验

实验报告音叉的受迫振动与共振实验

0.606
270.025
0.559
270.466
1.755
270.583
1.732
271.133
0.517
270.125
0.686
270.476
1.785
270.603
1.666
271.233
0.451
270.225
0.88
270.486
1.805
270.623
1.593
271.433
0.36
270.325
0.436
270.54
1.797
270.631
1.732
271.871
0.247
270.18
0.646
270.55
1.814
270.641
1.693
272.471
0.177
270.28
0.835
270.56
1.828
270.671
1.574
273.571
0.121
270.38
1.125
270.57
1.834
10
15
20
25
频率(Hz)
257.325
245.376
234.514
224.736
215.894
2 (1 × 10−5 2 )
1.510
1.661
1.818
1.980
2.145
周期平方-质量曲线
^2 (10^(−5) ^2)
2.3
2.2
2.1
y = 0.0318x + 1.3461
R² = 0.9997
1. 测量自由状态下的音叉幅频特性曲线:

实验讲义-音叉实验-2012

实验讲义-音叉实验-2012

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dt dB I /∝, dt dB /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:dtdxF γγμ-=-= (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:kx dt dxdtx d m --=γ22 其中m 为振子的等效质量,k 为与振子属性有关的劲度系数。

令mm k γδω==2,20,代入上式可得:022022=++x dt dx dtx d ωδ (2) 式中0ω是对应于无阻尼时的系统振动的固有角频率,δ为阻尼系数。

当阻尼较小时,式(2)的解为:)cos(00ϕωδ+=-t e A x t (3) 式中220δωω-=。

由公式(3)可知,如果δ=0,则认为是无阻尼的运动,这时)cos(00ϕω+=t A x ,成为简谐运动。

音叉的受迫振动与共振实验数据处理

音叉的受迫振动与共振实验数据处理

音叉的受迫振动与共振实验数据处理
音叉的受迫振动与共振实验是一种常见的物理实验,下面是一些可能用到的数据处理方法:
1. 振幅-频率曲线的绘制
通过对同一音叉加以不同频率的外力,得到不同频率下音叉的振幅大小,可以在图表中绘制出振幅-频率曲线。

在共振频率附近,振幅最大,可以得到共振频率和谐振动的特征。

2. 共振频率的测定
通过振幅-频率曲线的绘制,可以得到共振频率的位置。

也可以通过实验数据的分析,找到振幅最大值对应的频率,得到共振频率。

3. 峰宽度的测定
共振频率附近的振幅-频率曲线是一个峰形状,可以使用半高宽或者全宽度来描述该峰的大小。

具体方法可以通过寻找曲线上峰值处的一半振幅对应位置,计算其对应的频率差来得到半高宽或全宽度。

4. 误差分析
在实验中,可能会产生一些误差,比如仪器误差、人为误差等。

需要对实验结果进行误差分析,采用科学合理的方法估算误差,并在结果中给出误差范围,以保证实验数据的准确性和可靠性。

以上是一些可能用到的数据处理方法,具体的数据处理方法还需要根据实验的具体情况进行选择。

音叉的受迫振动与共振实验

音叉的受迫振动与共振实验

2.13音叉的受迫振动与共振实验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。

【实验目的】(1)研究音叉振动系统在周期性外力作用下振幅与强迫力频率的关系,测量及绘制振动系统的共振曲线,并求出共振频率和振动系统振动的锐度,运用计算机进行实时测量,自动分析扫描的曲线。

(2)音叉共振频率与对称双臂质量关系曲线的测量,求出音叉共振频率与附在音叉双臂一定位置上相同物块质量的关系公式。

(3)通过测量共振频率的方法,测量一对附在音叉固定位置上物块的质量。

【实验原理】1.简谐振动与阻尼振动许多振动系统如弹簧振子的振动、单摆的振动、扭摆的振动等,在振幅较小而且在空气阻尼可以忽视的情况下,都可作简谐振动处理,即此类振动满足简谐振动方程(1)02022=+x dtx d ω(1)式的解为(2))cos(0ϕω+=t A x 式中,A 为系统振动最大振幅,为圆频率,为初相位。

0ωϕ对弹簧振子振动圆频率,为弹簧劲度,为振子的质量,为弹簧的等效00m m K +=ωK m 0m 质量。

弹簧振子的周期满足T (3))(4022m m K T +=π但实际的振动系统存在各种阻尼因素,因此(1)式左边须增加阻尼项。

在小阻尼情况下,阻尼与速度成正比,表示为,则相应的阻尼振动方程为dtdx β2(4)022022=++x dt dx dtx d ωβ式中为阻尼系数。

β2.受迫振动与共振阻尼振动的振幅随时间会衰减,最后会停止振动,为了使振动持续下去,外界必须给系统一个周期性变化的力(一般采用的是随时间作正弦函数或余弦函数变化的力),振动系统在周期性的外力作用下所发生的振动称为受迫振动,这个周期性的外力称为策动力。

华科物理实验——音叉的受迫振动与共振

华科物理实验——音叉的受迫振动与共振
3、绘制周期平方T2与质量m的关系图,分析其特点和意义。
答:数据如下:
注: s
根据实验数据,Excel软件作图如下:
据图的拟合曲线为:
结果分析:据图可知T2与m成正比,且实验测得的数据误差较小。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。
【拓展问题】
1、平移阻尼块的位置,可能会发生什么现象?
根据实验数据,Excel软件作图如下:
(1)在无阻尼情况下:Umax=1.563V,对应f0=263.817Hz,故0.707 Umax=1.105V,据数据与图表的与其相对应的频率分别约为:f1=263.691Hz,f2=263.940Hz。
锐度计算:
(2)(2)在有阻尼情况下:Umax=1.392V,对应f0=263.688Hz,故0.707 Umax=0.984V,据数据与图表的与其相对应的频率分别约为:f1=263.550Hz,f2=263.820Hz。
故共振频率 , 0.001V
(2)
据实验数据可得:有阻尼情况下作受迫振动的共振频率为263.688Hz,相应的Umax=1.392V。
不确定度分析:同理:
故共振频率 , 0.001V
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。
锐度计算:
结果分析:就速度共振而言,有无阻尼情况下的位移最大处的频率取值应该是一样的,但本次测量中,在无阻尼情况下,f0=263.817Hz;在有阻尼情况下,f0=263.688Hz。二者并不相等,应该是受了位移共振的影响,使得有阻尼情况下共振频率偏小。
相对误差 ,故误差可忽略。
此外,从锐度的计算来看, ,所以阻尼使得速度在共振频率附近的变化幅度略微减小,这是正常的,因为设想阻尼无穷大的情况下,速度不再变化。

实验5 音叉的受迫振动与共振

实验5 音叉的受迫振动与共振

实验5 音叉的受迫振动与共振【实验目的】1.研究音叉振动系统在驱动力作用下振幅与驱动力频率的关系,测量并绘制它们的关系曲线,求出共振频率和振动系统振动的锐度。

2.通过对音叉双臂振动与对称双臂质量关系的测量,研究音叉共振频率与附在音叉双臂一定位置上相同物块质量的关系。

3.通过测量共振频率的方法,测量附在音叉上的一对物块的未知质量。

4.在音叉增加阻尼力情况下,测量音叉共振频率及锐度,并与阻尼力小情况进行对比。

【实验仪器】FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪(包括主机和音叉振动装置)、加载质量块(成对)、阻尼片、电子天平(共用)、示波器(选做用)【实验装置及实验原理】一.实验装置及工作简述FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪主要由电磁激振驱动线圈、音叉、电磁线圈传感器、支座、低频信号发生器、交流数字电压表(0~1.999V)等部件组成(图1所示)1.低频信号输出接口2.输出幅度调节钮3.频率调节钮4.频率微调钮5.电压输入接口6.电源开关7.信号发生器频率显示窗8.数字电压表显示窗9.电压输出接口10.示波器接口Y11.示波器接口X12.低频信号输入接口13.电磁激振驱动线圈14.电磁探测线圈传感器15.质量块16.音叉17.底座18.支架19. 固定螺丝图1 FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪装置图在音叉的两双臂外侧两端对称地放置两个激振线圈,其中一端激振线圈在由低频信号发生器供给的正弦交变电流作用下产生交变磁场激振音叉,使之产生正弦振动。

当线圈中的电流最大时,吸力最大;电流为零时磁场消失,吸力为零,音叉被释放,因此音叉产生的振动频率与激振线圈中的电流有关。

频率越高,磁场交变越快,音叉振动的频率越大;反之则小。

另一端线圈因为变化的磁场产生感应电流,输出到交流数字电压表中。

因为I=dB/dt,而dB/dt取决于音叉振动中的速度v,速度越快,磁场变化越快,产生电流越大,电压表显示的数值越大,即电压值和速度振幅成正比,因此可用电压表的示数代替速度振幅。

音叉受迫振动与共振实验

音叉受迫振动与共振实验

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、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dt dB I /∝, dt dB /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:dtdxF γγμ-=-= (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:kx dt dxdtx d m --=γ22 其中m 为振子的等效质量,k 为与振子属性有关的劲度系数。

令mm k γδω==2,20,代入上式可得: 022022=++x dt dx dtx d ωδ (2) 式中0ω是对应于无阻尼时的系统振动的固有角频率,δ为阻尼系数。

当阻尼较小时,式(2)的解为:)cos(00ϕωδ+=-t e A x t(3)式中220δωω-=。

由公式(3)可知,如果δ=0,则认为是无阻尼的运动,这时)cos(00ϕω+=t A x ,成为简谐运动。

在δ≠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220δωω-=可知,相邻两个振幅最大值之间的时间间隔为:22022δωπωπ-==T (4)与无阻尼的周期02ωπ=T 相比,周期变大。

华中科技大学物理实验_音叉的受迫振动与共振

华中科技大学物理实验_音叉的受迫振动与共振

华中科技大学音叉的受迫振动与共振【实验目的】1.研究音叉振动系统在驱动力作用下振幅与驱动力频率的关系,测量并绘制它们的关系曲线,求出共振频率和振动系统振动的锐度。

2.通过对音叉双臂振动与对称双臂质量关系的测量,研究音叉共振频率与附在音叉双臂一定位置上相同物块质量的关系。

3.通过测量共振频率的方法,测量附在音叉上的一对物块的未知质量。

4.在音叉增加阻尼力情况下,测量音叉共振频率及锐度,并与阻尼力小情况进行对比。

【实验仪器】FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪(包括主机和音叉振动装置)、加载质量块(成对)、阻尼片、电子天平(共用)、示波器(选做用)【实验装置及实验原理】一.实验装置及工作简述FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪主要由电磁激振驱动线圈、音叉、电磁线圈传感器、支座、低频信号发生器、交流数字电压表(0~1.999V)等部件组成(图1所示)1.低频信号输出接口2.输出幅度调节钮3.频率调节钮4.频率微调钮5.电压输入接口6.电源开关7.信号发生器频率显示窗8.数字电压表显示窗9.电压输出接口10.示波器接口Y11.示波器接口X12.低频信号输入接口13.电磁激振驱动线圈14.电磁探测线圈传感器15.质量块16.音叉17.底座18.支架19. 固定螺丝图1 FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪装置图在音叉的两双臂外侧两端对称地放置两个激振线圈,其中一端激振线圈在由低频信号发生器供给的正弦交变电流作用下产生交变磁场激振音叉,使之产生正弦振动。

当线圈中的电流最大时,吸力最大;电流为零时磁场消失,吸力为零,音叉被释放,因此音叉产生的振动频率与激振线圈中的电流有关。

频率越高,磁场交变越快,音叉振动的频率越大;反之则小。

另一端线圈因为变化的磁场产生感应电流,输出到交流数字电压表中。

因为I=dB/dt,而dB/dt取决于音叉振动中的速度v,速度越快,磁场变化越快,产生电流越大,电压表显示的数值越大,即电压值和速度振幅成正比,因此可用电压表的示数代替速度振幅。

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音叉的受迫振动与共振实验华中科技大学一、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dt dB I / , dt dB /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:dtdxF γγμ-=-= (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:kx dt dxdtx d m --=γ22 其中m 为振子的等效质量,k 为与振子属性有关的劲度系数。

令mm k γδω==2,20,代入上式可得: 022022=++x dt dx dtx d ωδ (2) 式中0ω是对应于无阻尼时的系统振动的固有角频率,δ为阻尼系数。

当阻尼较小时,式(2)的解为:)cos(00ϕωδ+=-t e A x t(3)式中220δωω-=。

由公式(3)可知,如果δ=0,则认为是无阻尼的运动,这时)cos(00ϕω+=t A x ,成为简谐运动。

在δ≠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220δωω-=可知,相邻两个振幅最大值之间的时间间隔为:22022δωπωπ-==T (4)与无阻尼的周期02ωπ=T 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: t F F ωcos 0=式中0F 为驱动力的幅值,ω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t F kx dt dxdtx d m ωγcos 022+--= (5) 仍令mm k γδω==2,20,得到: t mF x dt dx dt x d ωωδcos 202022=++ (6) 微分方程理论证明,在阻尼较小时,上述方程的解是:)cos()cos(02200ϕωϕδωδ+++-=-t A t e A x t (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:)cos(ϕω+=t A x (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ω并非是振子的固有角频率,而是驱动力的角频率,其次A 和ϕ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()22222002204)(ωδωωωωγω+-=-+=m F km F A (9)ωωγϕkm tg -=(10)其中:m m k⋅==δγω2,20 在稳态时,振动物体的速度)2cos(max πϕω++==t v dt dx v (11) 其中 220max )(ωωγkm F v -+=(12)3、共振在驱动力幅值0F 固定的情况下,应有怎样的驱动角频率ω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2πϕ+,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v F ⋅计算。

设想在振子固有频率、阻尼大小、驱动力幅值0F 均固定的情况下,仅改变驱动力的频率ω,则不难得知,如果满足最大值0=-ωk m 时,振子的速度幅值m ax v 就有最大值。

由0=-ωk m 可得:m k ==0ωω,m F F v δγ200max ==,这时∞→ϕtg ,2πϕ-= 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m ax v 随ω的变化曲线如图1所示。

显然γ或δ值越小,m ax v ~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:120120f f f Q -=-=ωωω (13)其中0f 为0ω对应的频率,1f 、2f 为m ax v 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:2202δωδ-=m F A (14)δωω220-=r (15)由此可知,在有阻尼的情况下,当驱动力的圆频率r ωω=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δ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δ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)2222δωπωπ-==T 可知,在阻尼δ较小、可忽略的情况下有:kmT πωπ220=≈(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T 变小,共振频率f 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T 变大,共振频率f 变小。

从式(16)可知这时:)(4022X m m kT +⋅=π (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。

m 0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。

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。

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