引力通讯实验

• 上图中悬丝为直径25um 、长500mm钨丝(W005130, GOODFELLOW, United Kingdom)，其弹性系数K=1.15*108Nm/rad，秤杆总长136.0mm，半臂长65mm，材料为铝合金， 密度������=2.7860gcm-3；悬丝与扭杆之间通过连接部件O相连并 粘有一面小的平面镜，用于反射激光束；杆秤两端分别悬挂 两个质量相等的小铜球m，小铜球m质量为13g、直径为4.5mm。 吸引质量M位于距离小铜球m一米处的扭转台上。吸引质量M以 小铜球m1为轴心作圆弧运动。 • 当控制系统以一定速度旋转大球M时，扭秤会以同频率振动， 让控制系统适当选择两个不同速度进行旋转，其频率分别为 p0和p1，令p0表示0，p1表示1，用p0、p1不同的组合构成编 码信号，从信源M通过交变引力场传递给信宿扭秤，通过扭秤 接收分析后还原成原来的信息。 • 例如，传递字母A，其ASCII码为：1000001，则发射信号为： p1p0p0p0p0p0p1。 • 扭秤运动情况探测利用光杠杆原理实现，由激光源射出的激 光经斩波后入射到悬丝与扭杆连接部件O的镜面上，发射后落 在高分辨率光电位置探测器上，角位移变化信号被转换成电 信号差动输出到锁相放大器进行放大，输出到记录系统将信 号进行A/D转换后由计算机采集并存储。
θ 2 δθ ω0θ Flsin(ωp t)/I
式中，������为扭秤偏转角，������ 为阻尼因子，I为扭秤系统转动惯量，������0为系统固有角 频率，������p为强迫振动角频率。 (2.2.1) 式的解为： θ A0e δtsin(ωt ) Asin(ωp ψ) (2.2.2) t 其中， A0e sin(t ) 经过相当长一段时候后将衰减至零，因此，扭秤处于 稳定运动状态的表达式为： θ Asin(ωp ψ) (2.2.3)
放大后识别。
实验系统实现简述
• 图1中大铅球M为信源，小铅球m组 成的扭秤为信宿，大铅球M在平行 于扭秤的x轴方向上做往返周期运 动，周期按信号调制。当信源M运 动至靠近左侧的小铅球m时，会对 小铅球产生吸引力，使扭秤沿顺时 针方向转动（从上往下看）；当信 源M运动至靠近右侧的小铅球m时， 同样地，会对小铅球产生吸引力， 使扭秤沿逆时针方向转动（从上往 下看），这样就使得扭称在M产生 的交变引力场作用下来回周期摆动， 且摆动周期与信源运动周期相同。 改变M的振动频率，将0、1码调制 到不同频率上，扭秤作为信源接收 到的信号，由激光打在扭秤上的悬 镜反射至光电位置探测器转化为电 信号，经计算机数字化处理后存储 记录。
扭秤运动方程及其解的分析
• 上式中，A为扭秤运动振幅幅值，������为扭秤运动与引力作用矩间的相位 差，见式(2.2.4)和式(2.2.5)，令τ=Fl ，得到 • τI A (2.2.4) 2 (ω0 ω2 )2 4 δ2ω2 p p • (2.2.5) 2 δωp t gψ 2 ω0 ω 2 p • 当������p等于共振频率������r时，见式(2.2.6)，扭秤运动振幅可达到最大振幅 Amax， • (2.2.6) 2 • ω p ω r ω0 2 δ 2 (2.2.7)
-3
6.6085
5.0392
79.3
不同实验频率的选择
Ap(rad) 角度° 幅频特性
0.012 0.01 0.008
∆f(Hz)
∆t(s)
∆d (cm)
SNR (dB)
Amax/6 =1.6840 e-3
0.0965
振 幅 rad
0.006 0.004 0.002 0 1.35
4.5351e-5
实验原理介绍
• 本实验的原理是用做往返周期运动的大质量球做信源，用卡文迪 许质量球扭秤做信宿，信源质量球产生的交变引力使扭秤与信源 以同频率振动，在信源处用频率调制的方法将0、1码调制到不同 频率上，在信宿端用光电系统测量信号，实现在真空中AB两点间 的信息通讯。本实验是在卡文迪许万有引力实验的基础上改进而 来，卡文迪许万有引力实验是可实现的，本实验和卡文迪许万有 引力实验在实验精度的要求上属同数量级，所以也是可实现的， 只要适当选取两个不同频率分别表示0、1，就可实现在信源和信 宿之间的越过真空的编码通讯。
7.6650e-6
Biblioteka Baidu
1.6875
14.1880
88.3
1.4
1.45
1.5 wp Hz
1.55
1.6
1.65
1.7 x 10
-3
0.012 0.01
Amax/2 =5.0520 e-3
0.008
0.2895
振 幅 rad
0.006 0.004 0.002 0 1.35
1.3276e-5
2.9311
10.0532
图4 扭秤结构图
I Ibar Im 1.2778 104 kgm2
固有角频率和共振频率
• 固有角频率 • 固有周期
ω0 K 9.4869 103 rad/s I
T0 2 π I
K
662.2988 s
• 系统自身阻尼系数（估计值）约为6.0×10-6 s-1 常温下空气的粘滞系数为1.83×10-5kg/(ms) 因此，总阻尼系数 δ≈2.4×10-5 • 共振频率 2 ωr ω0 2 δ2 9.4869 10 3 rad/s • 最大振幅
（2）必须有接收信号后的放大器。 在电磁波通信中，信号放大器是必不可少的 模块，三极管的发明对电信号的处理是一个里程 碑的事件，同样对于交变引力场信号，在远距离 通信时一定需要进行放大，现有技术可采用的方 法是：用长光路和电放大相结合的方法放大信号， 也就是只要扭秤能检测到引力场变化引起的电学
可分辨信号，就可用已有的光电放大方法将信号
A max
I 2 2 δ ω0 2 δ 2
τ
理论实验数据分析
• 扭秤系统[5]
• 如图4所示，秤杆总长136.0mm， 半臂长65mm，材料为铝合金， 密度ρ=2.7860gcm-3，其中， • 杆a的直径为Da=4.0mm，长度 la=60.00mm， • 圆柱体b的直径Db=6.0mm，高度 hb=6.0mm， • 小圆柱体c的直径Dc=3.0mm，高 度hc=6.0mm。 • 系统转动惯量为杆转动惯量与小 球转动惯量之和，
实验目的及其意义
• 电磁场是目前可以实现越过真空进行编码通讯的 唯一载体，如果可以实现利用交变引力场进行编 码通讯，就为人类找到了第二种可承载信息越过 真空的载体，其意义是极其重大的。
飞船进入黑障区
国内外研究概况
• 经过对国内外信息的检索，目前还没有人做过类 似的实验，所以找不到直接相关的文献，但可供 参考的测量万有引力常数的实验很多[1][2][3][4]， 本实验又是在万有引力常数测定实验的基础上改 进的，所以这方面有许多可以借鉴的材料。
科学依据
• 关于利用引力场进行通讯，科学界存在着这样的 思想：引力波到目前为止还没有被探测到，用引 力波通讯显然是不可能的。 • 但在自然界，通过引力场传递信息却是客观存在， 如，地球潮汐就是由月亮与地球的相对运动产生 的交变引力场作用的结果，这里月亮是信源，海 水是信宿，引力场是载体，通过对潮汐的研究我 们可以推知月亮的运动规律；又如，历史上海王 星的发现就是通过天王星的轨道信息得到的，在 那里海王星为信源，天王星为信宿，引力场为载 体。
上海师范大学 信息与机电工程学院通讯工程系 2010.4.18
殷业
问题的提出
• 交变电磁场可以脱离产生它的运动电荷而独立存 在和独立传播，它是目前可以实现越过真空进行 编码通讯的唯一载体。现在人类对电磁波的几乎 所有波段都进行了研究，利用电磁波的通讯也充 分提高了人类驾驭自然的能力，可以设想如果没 有电磁波，人类就不可能有太空时代。但电磁波 也有弱点，如在宇宙飞船返回时产生的黑障对电 磁波会产生屏蔽，使宇航员在黑障期内无法和地 面通讯。 • 那么存在不存在第二种可以越过真空并被人类利 用的通信载体呢？这是人类梦寐以求的东西，引 力场是一个可选择对象，但到目前为止人类还没 有真正实现引力通讯，一些声称检测到引力波的 实验最后都被证明并不可靠，如韦伯棒实验。
Amax τI
2 2 δ ω0 δ2
1.0104 102 rad
不同实验频率的选择
Ap (rad) 角度° 幅频特性 ∆f(Hz) ∆t(s) ∆d(cm) SNR (dB)
0.012 0.01
=7.1445 e-3
0.4094
振 幅 rad
Amax/ 2
0.008 0.006 0.004 0.002 0 1.35
扭秤运动方程及其解的分析
• • • 扭秤在高真空下（忽略空气阻尼）自由运动时，其运动方程为
I Kθ 0 θ
• • • • • •
其中������为扭秤偏转角，I为扭秤系统转动惯量，K为扭丝的扭转弹性系数，扭秤运 动周期为 T0 2 I / K ) 实验中，在吸引质量M的作用下，扭秤将受到一正弦引力矩 M Flsin(vt/R 作 用，其中，F为大小球间的牛顿万有引力，l为扭秤半杆长，v为大球运动速率，R 为两球间的中心距离。令 ω p v/R ，故扭秤运动遵循的运动方程为 (2.2.1) 2
85.3
1.4
1.45
1.5 wp Hz
1.55
1.6
1.65
1.7 x 10
-3
0.012 0.01 0.008
振 幅 rad
Amax/4 =2.5260 e-3
0.006 0.004 0.002 0 1.35
0.1447
2.9688e-5
1.4 1.45 1.5 wp Hz 1.55 1.6 1.65 1.7 x 10
-3
17.3882
研究的主要内容和研究目标
• 要实现用交变引力场做载体通信，其关键问题有 两个： （1）必须制作交变引力场调谐器。
类比电磁波通信，在自由空间中会同时存在各种频率的 电磁波，如果没有电磁波调谐器，根本无法区分需要的信 号和噪声；同样对于交变引力场，自由空间也同时存在各 种频率的交变引力场信号，并且由于引力场不易屏蔽，因 此交变引力场信号会比电磁波更杂乱，所以需要滤波器将 有用的信号取出，滤除其他信号。共振原理为我们提供了 一种制造交变引力场调谐器的方法。在交变引力场下扭秤 产生振动，振动幅值在共振点达到极大值，共振点取决于 扭秤系统的物理设计参数，可适当地设计扭秤的共振频率， 使其远离噪声源，只对信源信号响应，达到实验目的。
10.1753
3.3623
75.8
1.4
1.45
1.5 wp Hz
1.55
1.6
1.65
1.7 x 10
-3
0.012 0.01 0.008
=1.2630 e-3
0.0724
振 幅 rad
Amax/8
0.006 0.004 0.002 0 1.35
6.0851e-5
13.7605
2.5228
73.3
0.004
0.002
0 1.54
1.55
1.56
1.57 wp Hz
1.58
1.59
1.6
1.61 x 10
-3
•
图2一扭秤受迫振动幅频特性曲线
实验装置系统设计
现今许多专家学者为了测量 到更为精确的万有引力常数，对 卡文迪许扭秤作了许多改进和优 化，技术较为成熟，国内较为著 名的有华中科技大学的引力实验 中心，本实验基于卡文迪许扭秤 系统，因此我们的实验可以借鉴 并在现有的测万有引力常数的实 验装置上作相应的改变来完成。 右图是一个已有的测万有引 力常数实验装置图，图中信宿部 分被分离了。
1.4
1.45
1.5 wp Hz
1.55
1.6
1.65
1.7 x 10
-3
0.012 0.01 0.008
振 幅 rad
0.006 0.004 0.002 0 1.35
Amax/10
=1.0104 e-3
0.0579
7.6289e-5
1.4 1.45 1.5 wp Hz 1.55 1.6 1.65 1.7 x 10
图1 用交变引力场实现越过真空的编码通讯实验原理图
• 在这个实验中，做周期运动的大质量球在信宿扭秤处产生交变的引力 场，交变的引力场使扭秤产生受迫周期性的扭动，扭秤的运动规律类 似于周期受迫振动，完全可以用受迫振动的力学分析方法来进行分析， 如图所示：
0.012 0.01
0.008
振 幅 rad
0.006