东南大学物理实验报告-受迫振动

物理实验报告标题：受迫振动的研究实验摘要：振动是自然界中最常见的运动形式之一，由受迫振动引发的共振现象在日常生活和工程技术中极为普遍。共振现象在许多领域有着广泛的应用，例如，众多电声器件需要利用共振原理设计制作。它既有实用价值，也有破坏作用。本实验采用玻耳共振仪定量测定了阻尼振动的振幅比值，绘制了受迫振动的幅频特性和相频特性曲线，并分析了阻尼对振动的影响以及受迫振动的幅频特性和相频特性。另外，实验中利用了频闪法来测定动态的相位差。目录1 引言 .32.实验方法 .32.1 实验原理 .32.1.1 受迫振动 .32.1.2 共振 .42.1.3 阻尼系数 的测量 .52.2 实验仪器 .63 实验内容、结果与讨论 .73.1 测定电磁阻尼为 0 情况下摆轮的振幅与振动周期的对应关系 .73.2 研究摆轮的阻尼振动 .83.3 测定摆轮受迫振动的幅频与相频特性曲线，并求阻尼系数 .93.4 比较不同阻尼的幅频与相频特性曲线 .134.总结 .155.参考文献 .151 引言振动是自然界中最常见的运动形式之一，由受迫振动引发的共振现象在日常生活和工程技术中极为普遍。共振现象在许多领域有着广泛的应用，例如为研究物质的微观结构，常采用核共振方法。但是共振现象也有极大的破坏性，减震和防震是工程技术和科学研究的一项重要任务。表征受迫振动性质的是受迫振动的振幅频率特性和相位频率特性（简称幅频和相频特性） 。本实验采用玻耳共振仪定量测定了阻尼振动的振幅比值，绘制了受迫振动的幅频特性和相频特性曲线，并分析了阻尼对振动的影响以及受迫振动的幅频特性和相频特性。2.实验方法2.1 实验原理2.1.1 受迫振动本实验中采用的是玻耳共振仪，其构造如图 1 所示：图一铜质圆形摆轮系统作受迫振动时它受到三种力的作用：蜗卷弹簧 B 提供的弹性力矩 ,轴承、空气和电磁阻尼力矩 ,电动机偏心系统经卷簧的外夹 持端提供的驱动力矩 。=0cos根据转动定理，有22=+0cos （ 1）式中，J 为摆轮的转动惯量， 为驱动力矩的幅值， 为驱动力矩的角频0 率，令20=， 2=， =0则式（1）可写为22+2+20=cos (2)式中 为阻尼系数， 为摆轮系统的固有频率。在小阻尼 条件下， 0 (22)方程（2）的通解为：=cos(0+)+(+)此解为两项之和，可见摆轮的受迫振动分为两个分运动。随着时间推移，阻尼振动项可以衰减到忽略不计。另一项表示与驱动力同频率且振幅为 的振动。可见，虽然刚开始振动比较复杂，但是在不长的时间之后，受迫振动会到达一种稳定的状态，成为一种简谐振动，可以表示成： =(+) (3)振幅 和初相位 （ 为受迫振动的角位移与驱动力矩之间的相位差）既 与振动系统的性质与阻尼情况有关，也与驱动力的频率 和力矩的幅度 有关， 0而与振动的初始条件无关（初始条件只是影响达到稳定状态所用的时间） 。 与由下述两项决定：= (202)2+422 （ 4）=2202 （ 5）2.1.2 共振由极值条件 可以得出，当驱动力的角频率为 时，受=0 =2022迫振动的振幅达到最大值，产生共振。共振时的共振的角频率 、振幅 和相 位差 分别为：=2022= 2202 （ 6）=( 2022 )由上式可以看出，阻尼系数越小，共振的角频率 越接近于系统的固有频率 ，共振振幅 也越大，振动的角位移的相位滞后于驱动力矩的相位越接近0 于 。/2图 2 和图 3 给出了不同阻尼系数 的条件下受迫振动系统的振幅的频率相应（幅频特性）曲线和相位差的频率响应（相频特性）曲线。2.1.3 阻尼系数 的测量(1)由振动系统作阻尼振动时的振幅比值求阻尼系数 摆轮 A 如果只受到蜗卷弹簧 B 提供的弹性力矩 ，轴承、空气和电磁阻尼力矩 ，阻尼较小（ ）时，振动系统作阻尼振动，对应的振动方程 220图 2 图 3和方程的解为：22+2+20=0=cos(+)=202由于阻尼振动的振幅随时间按指数律衰减，对相隔 n 个周期的两振幅之比取对数，则有：0= (+)=实际的测量之中，可以以此来算出 值。其中，n 为阻尼振动的周期数，为计时开始时振动振幅， 为的 n 次振动时振幅，T 为阻尼振动时周期。0 （2）由受迫振动系统的幅频特性曲线求阻尼系数 （只适合于 时的情况） 220由幅频特性可以看出，弱阻尼 情况下，共振峰附近220，由（4）和（6）可得：01， +020=2202(202)2+422(0)2+2当 时，由上式可得： 。= 2 0在幅频特性曲线上可以直接读出 处对应的两个横坐标= 2和 ，从而可得：+0 0+=2 （ 8）2.2 实验仪器本实验使用的玻耳共振仪由共振仪和控制仪两部分组成，并用电缆互联。玻耳共振仪的示意图见前文图 1。振动系统由铜质圆形摆轮 A 与弹簧 B 构成，弹簧的一端固定在机架支柱上，另一端与摆轮轴相联，在弹簧弹性力作用下，摆轮可绕轴自由往复振动。外激励是由转速十分稳定的可调电机的偏心轴通过连杆 和摆杆 加到振动系统上。当电机匀速转动时，可看作是一种简谐激励。若改变电机转速，就相当于改变激励的周期。电磁阻尼由阻尼线圈 产生，调节线圈电流可以改变电磁铁气隙中磁场，以达到改变阻尼力矩的作用。角度读数盘上方处也装有光电门，与控制电路相连接，可以用来测量强迫力矩的周期。共振仪部分的结构如图 4所示。左边是振幅显示窗，显示三位数字的摆轮振幅；右边时间显示窗，显示 5 位数字振动周期，精度为 10-3s。 “摆轮、强迫力”和“周期选择”开关，分别用来测量摆轮强迫力矩的1 次或者 10 次周期所需的时间。电机转速调节旋钮用来改变强迫力周期，它是通过精确改变电机转速来达到,其精度仅供参考。阻尼选择开关用来改变阻尼线圈直流电位的大小， 。电机开关用来控制电机转动，当测量阻尼系数和摆轮固有频率与振幅关系时，电机开关处于断状态。3 实验内容、结果与讨论3.1 测定电磁阻尼为 0 情况下摆轮的振幅与振动周期的对应关系实验数据如下：振幅 周期 T0/s150 1.570 140 1.571131 1.572119 1.573110 1.574101 1.57589 1.57681 1.57767 1.57854 1.57850 1.578对这些数据进行做点画图，得到：图 4 60 90 120 1501.5701.5721.5741.5761.578发现振幅为 54 和 50 时数据偏离较大，去掉这两个点后经行线性拟合如下：60 90 120 1501.591.5721.571.578Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.978ValueStandar ErorB Intercpt 1.584761.8013-4Slo -9.809E-5.594E-6能够知道振幅和周期的关系式为： 0=9.80179105+1.584763.2 研究摆轮的阻尼振动测得数据如下：- 的关系曲线0振幅 周期 0作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛- 的线性拟合曲线0振幅 周期 0作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛振幅 160 146 134 123 113 104 95 87 79 72周期T*10/s15.74515.74515.74515.74515.74515.74515.74515.74515.74515.745根据公式：0= (+)=得： 15.745=0.7985所以： =0.050713.3 测定摆轮受迫振动的幅频与相频特性曲线，并求阻尼系数 选择“阻尼 1”时，实验数据：摆轮振幅 振动周期*10/s 振动周期*1/s 相位差 原始周期 0 / = /0 058 16.317 1.6317 23.0 1.5791 0.967767 16.217 1.6217 27.5 1.5782 0.973278 16.130 1.6130 33.0 1.5771 0.977897 16.010 1.6010 42.0 1.5753 0.9839111 15.940 1.5940 49.0 1.5739 0.9874126 15.870 1.5870 59.0 1.5724 0.9908135 15.821 1.5821 65.5 1.5715 0.9933147 15.709 1.5709 90.0 1.5704 0.9997148 15.684 1.5684 97.0 1.5703 1.0012144 15.655 1.5655 107.0 1.5706 1.0033126 15.610 1.5610 121.0 1.5724 1.0073124 15.592 1.5592 127.0 1.5726 1.0086110 15.584 1.5584 132.0 1.5745 1.010378 15.446 1.5446 149.0 1.5771 1.021162 15.351 1.5351 156.0 1.5787 1.028453 15.264 1.5264 160.0 1.5796 1.034843 15.146 1.5146 163.5 1.5805 1.0435做出这种情况下的幅频特性曲线，并进行拟合：0.96 0.9 1.02 1.055010150AGaus Fit ofAEquationy=0 +(A/w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-c)/w2)Adj. R-Square0.9873ValueStandr EroAy0 49.6892.719xc 0.233.490E-4Aw .67.127A 3.1080.43Asigma0.34FWHM.1Aeight 94.7352拟合的具体参数：Equation y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-xc)/w)2)Adj. R-Square 0.98783Value Standard ErrorA y0 49.96898 2.72179A xc 0.99923 3.49071E-4A w 0.02667 0.00127A A 3.16708 0.20432A sigma 0.01334A FWHM 0.03141A Height 94.73532能够得到拟合出的振幅 与 的关系式为：0=49.9690+ 3.16710.0266722（ 00.9992） 20.02672所以，拟合曲线的峰值为： 144.7189=则： = 2=102.3317用 带入关系式中能够解出： ，+0=1.013740=0.98466幅频特性曲线拟合图0振幅 作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛用 带入在 3.1 中得到的关系式，能够解出 0=3.9900就能够解出 ，+=4.0448=3.9288根据式（8）： +=2能够得出阻尼系数： =0.05800能够看出，用这种方法求得的阻尼系数 与在 3.2 中求得的阻尼系数 是基本 吻合的，但是仍然存在一些误差。做出这种情况下的相频特性曲线：0.96 0.9 1.02 1.0560120选择“阻尼 2”时，实验数据：摆轮振幅 振动周期*10/s 振动周期*1/s 相位差 原始周期 0 / = /0 058 16.313 1.6313 25 1.5791 0.968067 16.208 1.6208 30 1.5782 0.973784 16.079 1.6079 38 1.5765 0.9805105 15.955 1.5955 50 1.5745 0.9868相频特性曲线图0相位差作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛125 15.839 1.5839 66 1.5725 0.9928136 15.781 1.5781 75 1.5714 0.9958137 15.742 1.5742 86 1.5713 0.9982139 15.718 1.5718 90 1.5711 0.9996138 15.701 1.5701 96 1.5712 1.0007129 15.636 1.5636 115 1.5721 1.005496 15.536 1.5536 136 1.5754 1.014078 15.459 1.5459 146 1.5771 1.020265 15.381 1.5381 153 1.5784 1.026254 15.281 1.5281 157 1.5795 1.033647 15.202 1.5202 161 1.5802 1.0394做出这种情况下的幅频特性曲线，并进行拟合：0.96 0.9 1.02 1.054080120A Gaus Fit of AEquationy=0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-c)/w)2)Adj. R-Square0.9539ValueStandar ErorA y0 49.5321.82357xc 0.972.694E-4A w .2328.5131-A .98 0.403A sigma 0.136FWHM.2A eight 87.359拟合的具体参数：Equation y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-xc)/w)2)Adj. R-Square 0.99539Value Standard ErrorA y0 49.95532 1.82357A xc 0.99937 2.68947E-4A w 0.02732 8.51631E-4幅频特性曲线拟合图振幅0作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛A A 2.9898 0.14043A sigma 0.01366A FWHM 0.03216A Height 87.32559能够得到拟合出的振幅 与 的关系式为：0=49.9553+ 2.98980.0273222（ 00.9994） 20.027322能计算出拟合曲线的峰值为： =137.2728则： = 2=97.0665用 带入关系式中能够解出： 与 +0 0用计算“阻尼 1”情况下的阻尼系数的方法，同样能够得到“阻尼 2”情况下的阻尼系数为：。=0.06051能够看出“阻尼 2”与“阻尼 1”相比，阻尼系数有所增大这种情况下的相频特性曲线如下：0.96 0.9 1.02 1.0560120ABA相频特性曲线图作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛0相位差3.4 比较不同阻尼的幅频与相频特性曲线将“阻尼 1”和“阻尼 2”的幅频特性曲线拟合图画在同一坐标轴下：0.96 0.9 1.02 1.05306090120150 zuni1zuni2比较之后能够发现， “阻尼 1” 的幅频特性曲线拟合图和“阻尼 2”的相比峰值更高，即在共振点附近的振幅更大。另外， “阻尼 1” 的幅频特性曲线拟合图在共振点两侧的振幅变化更大。但是，在远离共振点的区域内，两者的图像时基本重合的。将“阻尼 1”和“阻尼 2”的相频特性曲线图画在同一坐标轴下：0振幅 作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛0.96 0.9 1.02 1.0560120ABzuni2zuni1zuni2zi1比较后能够发现“阻尼 1” 的相频特性曲线图在共振点附近变化较快，更加陡峭，而“阻尼 2”更加的平缓。能够得到：阻尼越大，图像越平缓。4.总结本次实验的结果基本是合理的，但其中“阻尼 1”阻尼下两种方法计算出的阻尼系数有较大的误差，现分析如下：1. 幅频特性曲线的作图需要借助查阅“测定电磁阻尼为 0 情况下摆轮的振幅与振动周期的对应关系”这一项实验内容中的 - 的线性拟合曲线。但是在本0次实验中的此项实验数据中明显有两个点和其他点不呈线性关系，有较大的偏离，故将这两个点去掉后进行了拟合。可能这样的拟合方式使得拟合结果不准确，对后面的幅频特性曲线的高斯拟合及阻尼系数的计算产生了较大的影响。2. 可能在“测定摆轮受迫振动的幅频与相频特性曲线，并求阻尼系数 ”此项内容实验的数据测量操作中，因为操作的失误或者实验室中其他因素的影响导致所测数据欠准确。而本次实验的其他内容方面，如不同阻尼的幅频和相频特性曲线比较等，及本都是符合客观事实的。0相位差作图日期：2014.9.3作者：岳晨涛5.参考文献1钱锋、潘人培， 大学物理实验（修订版） ，北京：高等教育出版社，2005 年