波尔共振实验.doc

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大 学 物 理 实 验 报 告
班级___________________ 实验日期_______年____月____日
姓名________学号_______ 教师评定_____________________
实验二十二 波尔共振
【实验目的】
1、 研究波尔共振仪中弹性摆轮受迫振动的幅频特性和相频特性。
2、 研究不同阻尼力矩对受迫振动的影响，观察共振现象。
3、 学习用频闪法测定运动物体的某些量，例相位差。
4、 学习系统误差的修正。
【实验仪器】
ZKY-BG型波尔共振仪由振动仪与电器控制箱两部分组成。振动仪部分如图1-3所示，铜质圆形图 1-3 波尔振动仪
1.光电门H；2.长凹槽C；3.短凹槽D；4.铜质摆轮A；5.摇杆M；6.蜗卷弹簧B；7.支承架；8.阻尼线圈K；9.连杆E；10.摇杆调节螺丝；11.光电门I；12.角度盘G；13.有机玻璃转盘F；14.底座；15.弹簧夹持螺钉L；16.闪光灯

摆轮A安装在机架上，弹簧B的一端与摆轮A的轴相联，另一端可固定在机架支柱上，在弹簧弹性力的作用下，摆轮可绕轴自由往复摆动。在摆轮的外围有一卷槽型缺口，其中一个长形凹槽C比其它凹槽长出许多。机架上对准长型缺口处有一个光电门H，它与电器控制箱相联接，用来测量摆轮的振幅角度值和摆轮的振动周期。在机架下方有一对带有铁芯的线圈K，摆轮A恰巧嵌在铁芯的空隙，当线圈中通过直流电流后，摆轮受到一个电磁阻尼力的作用。改变电流的大小即可使阻尼大小相应变化。为使摆轮A作受迫振动，在电动机轴上装有偏心轮，通过连杆机构E带动摆轮，在电动机轴上装有带刻线的有机玻璃转盘F，它随电机一起转动。由它可以从角度读数盘G读出相位差Φ。调节控制箱上的十圈电机转速调节旋钮，可以精确改变加于电机上的电压，使电机的转速在实验范围（30-45转/分）内连续可调，由于电路中采用特殊稳速装置、电动机采用惯性很小的带有测速发电机的特种电机，所以转速极为稳定。电机的有机玻璃转盘F上装有两个挡光片。在角度读数盘G中央上方900处也有光电门I（强迫力矩信号），并与控制箱相连，以测量强迫力矩的周期。
受迫振动时摆轮与外力矩的相位差是利用小型闪光灯来测量的。闪光灯受摆轮信号光电门控制，每当摆轮上长型凹槽C通过平衡位置时，光电门H接受光，引起闪光，这一现象称为频闪现象。在稳定情况时，由闪光灯照射下可以看到有机玻璃指针F好象一直“停在”某一刻度处，所以此数值可方便地直接读出，误差不大于20 。闪光灯放置位置如图（1-3）所示搁置在底座上，切勿拿在手中直接照射刻度盘。
摆轮振幅是利用光电门H测出摆轮读数A处圈上凹型缺口个数，并在控制箱液晶显示器上直接显示出此值，精度为10。
【实验原理】
物体在周期外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动，这种周期性的外力称为强迫力。如果外力是按简谐振动规律变化，那么稳定状态时的受迫振动也是简谐振动，此时，振幅保持恒定，振幅的大小与强迫力的频率和原振动系统无阻尼时的固有振动频率以及阻尼系数有关。在受迫振动状态下，系统除了受到强迫力的作用外，同时还受到回复力和阻尼力的作用。所以在稳定状态时物体的位移、速度变化与强迫力变化不是同相位的，存在一个相位差。当强迫力频率与系统的固有频率相同时产生共振，此时振幅最大，相位差为90°。
实验采用摆轮在弹性力矩作用下自由摆动，在电磁阻尼力矩作用下作受迫振动来研究受迫振动特性，可直观地显示机械振动中的一些物理现象。
当摆轮受到周期性强迫外力矩的作用，并在有空气阻尼和电磁阻尼的媒质中运动时（阻尼力矩为）其运动方程为
（1）
式中，为摆轮的转动惯量，为弹性力矩，为强迫力矩的幅值，为强迫力的圆频率。
令 ，，
则式（1）变为
（2）
当时，式（2）即为阻尼振动方程。
当，即在无阻尼情况时式（2）变为简谐振动方程，系统的固有频率为。方程（2）的通解为
（3）
由式（3）可见，受迫振动可分成两部分：
第一部分，和初始条件有关，经过一定时间后衰减消失。
第二部分，说明强迫力矩对摆轮作功，向振动体传送能量，最后达到一个稳定的振动状态。振幅为
（4）
它与强迫力矩之间的相位差为
（5）
由式（4）和式（5）可看出，振幅与相位差的数值取决于强迫力矩m、频率、系统的固有频率和阻尼系数四个因素，而与振动初始状态无关。
由极值条件可得出，当强迫力的圆频率时，产生共振，有极大值。若共振时圆频率和振幅分别用、表示，则
（6）
（7）
式（6）、（7）表明，阻尼系数越小，共振时圆频率越接近于系统固有频率，振幅也越大。图1-1和图1-2表示出在不同时受迫振动的幅频特性和相频特性。
图 1-1
图 1-2

β1
β2
β1<β2
-π
-π/2
0
Φ
1.0
β1
β2
β3
β1<β2<β3

1.0
θ
0

【数据记录和处理】
1. 摆轮振幅与系统固有周期关系。

表1 振幅与关系
振幅
固有周期（s）
振幅
固有周期（s）
振幅
固有周期（s）
振幅
固有周期（s）

2．阻尼系数的计算
表2 阻尼档位
序号
振幅 (°)
序号
振幅 (°)

θ1

θ6

θ2

θ7

θ3

θ8

θ4

θ9

θ5

θ10

平均值

10T = 秒 = 秒
对所测数据按逐差法处理，利用以下公式
（9）
求出β值。其中i为阻尼振动的周期次数，为第i次振动时的振幅。

3.幅频特性和相频特性测量
① 将记录的实验数据填入表1，并查询振幅θ与固有频率的对应表，获取对应的T0值，也填入表1。
表3 幅频特性和相频特性测量数据记录表 阻尼档位
强迫力矩周期电位器刻盘度值
强迫力矩周期（s）
相位差
（0）
读取值
振幅θ（0）
测量值
查表1得出的与振幅θ对应的固有频率

② 利用表3记录的数据，将计算结果填入表4。
表4
强迫力矩周期（s）
（0）
读取值
θ（0）
测量值

（）2

以ω为横轴，（θ/θr）2为纵轴，作出作幅频特性曲线；以ω/ωr为横轴，相位差Φ为纵轴，作相频特性曲线。
在阻尼系数较小（满足 ≤）和共振位置附近（），由于，从式（4）和（7）可得出：

据此可由幅频特性曲线求β值：
当，即，由上式可得

此ω对应于图处两个值ω1，ω2，由此得出：
（此内容一般不做 ）
将此法与逐差法求得之β值作一比较并讨论，本实验重点应放在相频特性曲线测量。
【注意事项】
在实验过程中，电脑主机上看不到（θ/θr）值和特性曲线，必须要待实验完毕后并存储后，通过“实验数据查询”才可看到。
【误差分析】
因为本仪器中采用石英晶体作为计时部件，所以测量周期（圆频率）的误差可以忽略不计，误差主要来自阻尼系数的测定和无阻尼振动时系统的固有振动频率的确定。且后者对实验结果影响较大。
在前面的原理部分中我们认为弹簧的弹性系数k为常数，它与扭转的角度无关。实际上由于制造工艺及材料性能的影响,k值随着角度的改变而略有微小的变化（3%左右），因而造成在不同振幅时系统的固有频率有变化。如果取的平均值，则将在共振点附近使相位差的理论值与实验值相差很大。为此可测出振幅与固有频率的对应数值，在 公式中T0采用对应于某个振幅的数值代入（可查看自由振荡实验中作出与的对应表，找出该振幅在自由振荡实验时对应的摆轮固有周期。若此值在表中查不到，则可根据对应表中摆轮的运动趋势，用内插法，估计一个值），这样可使系统误差明显减小。振幅与共振频率相对应值可按照“实验内容与步骤”2的方法来确定。

附一：ZKY-BG型波尔共振仪调整方法
波尔共振仪各部分经校正，请勿随意拆装改动，电器控制箱与主机有专门电缆相接，不会混淆，在使用前请务必清楚各开关与旋钮功能。
经过运输或实验后若发现仪器工作不正常可行调整，具体步骤如下：
1、将角度盘指针F放在“0”处。
2、松连杆上锁紧螺母，然后转动连杆E，使摇杆M处于垂直位置，然后再将锁紧螺母固定。
3、此时摆轮上一条长形槽口（用白漆线标志）应基本上与指针对齐，若发现明显偏差，可将摆轮后面三只固定螺丝略松动，用手握住蜗卷弹簧B的内端固定处，另一手即可将摆轮转动，使白漆线对准尖头，然后再将三只螺丝旋紧：一般情况下，只要不改变弹簧B的长度，此项调整极少进行。
4、若弹簧B与摇杆M相连接处的外端夹紧螺钉L放松，此时弹簧B外圈即可任意移动（可缩短、放长）缩短距离不宜少于6cm。在旋紧处端夹拧螺钉时，务必保持弹簧处于垂直面内，否则将明显影响实验结果。
将光电门H中心对准摆轮上白漆线（即长狭缝），并保持摆轮在光电门中间狭缝中自由摆动，此时可选择阻尼档为“1”或“2”，打开电机，此时摆轮将作受迫振动，待达到稳定状态时，打开闪光灯开关，此时将看到指针F在相位差度盘中有一似乎固定读数，两次读数值在调整良好时差1º以内（在不大于2º时实验即可进行）若发现相差较大，则可调整光电门位置。若相差超过5º以上，必须重复上述步骤重新调整。
由于弹簧制作过程中问题，在相位差测量过程中可能会出现指针F在相位差读数盘上两端重合较好，中间较差，或中间较好、二端较差现象。

附二：

简 单 故 障 排 除
故障现象
原因及处理办法
“强迫振荡”实验无法进行，一直无测量值显示
检查刻度盘上的光电门I指示灯是否闪烁。
1． 若此指示灯不亮，左右移动光电门，会看到指示灯亮，再将其调整到合适的不阻碍转盘运动的位置；
2． 指示灯长亮，不闪烁。说明光电门I位置偏高，使有机玻璃转盘F上的白线无法档光，实验不能进行。调整光电门I的高度，直到合适位置即可；
若以上情况都不是，则“周期输入”小五芯电缆有断点或有粘连，拆开接上断点或排除粘连即可。
“强迫振荡”实验进行时，按住闪光灯，电机周期会变
有2个原因：
1． 闪光灯的强光会干扰光电门Ｈ及光电门I采集数据；
2． 闪光灯的高压电路会对数据采集造成干扰；
因此必须待一次测量完成，显示“测量关”后，才可使用闪光灯读取相位差。
幅频和相频特性曲线数据点非常密集
在做“强迫振荡”实验时，未调节强迫力矩周期电位器来改变电机的转速。每记录一组数据后，应该调节强迫力矩周期电位器来改变电机的转速，再进行测量。
除1、2号集中器外，其它编号的集中器（如3、4号等）连接好后系统无法识别
系统默认的是1、2号集中器，如果是其它编号的集中器，则需要在软件界面“系统管理”/“连接装置管理”中添加，只有添加后才能被系统识别。
“自由振荡” 实验时无测量值显示

连接“振幅输入”的大五芯线内有断点或有粘连，拆开接上断点或排除粘连即可

本说明书中的所有信息可能在没有通知的情况下变更，说明书中的产品图片仅供参考，应以实物为准。本公司有权在任何时候，对信息做出改变。若有问题，请直接致电成都世纪中科仪器有限公司或浏览以下网站查询http://www.zky.cc，联系电话：[phone] 85243932。或询问上海同济科教技术物资有限公司 滕秉志老师（021-65983754）

[附三] 实验测量数据（编号控制箱02—038/实验仪02—100）

表1 振幅与关系
振幅
固有周期（s）
振幅
固有周期（s）
振幅
固有周期（s）
振幅
固有周期（s）
156
1.447
128
1.450
97
1.454
71
1.457
154
1.447
125
1.451
95
1.454
69
1.457
152
1.447
121
1.451
92
1.454
66
1.457
151
1.447
119
1.451
91
1.455
63
1.458
148
1.448
118
1.451
89
1.455
61
1.458
146
1.448
115
1.452
86
1.455
58
1.458
144
1.448
113
1.452
84
1.455
57
1.458
142
1.449
112
1.452
81
1.456
56
1.458
139
1.449
109
1.453
78
1.456
54
1.458
137
1.449
105
1.453
77
1.456
52
1.459
135
1.449
104
1.453
74
1.457
51
1.458
132
1.450
101
1.453
73
1.456
50
1.459
130
1.450
99
1.454
72
1.457

阻尼系数β测量
表2 阻尼档位 2
序号
振幅(°)
序号
振幅(°)

θ1
133
θ6
77
0.547
θ2
119
θ7
68
0.560
θ3
107
θ8
61
0.562
θ4
96
θ9
55
0.557
θ5
86
θ10
49
0.563
平均值
0.558
10T = 14.560 秒 = 1.456 秒
秒-1

表3 幅频特性和相频特性测量数据记录表 阻尼档位 2
强迫力矩周期电位器刻盘度值
强迫力矩周期（s）
（0）
读取值
θ（0）
测量值
查表1得出的与振幅θ对应的固有周期 ..

4.50
1.419
146
69
1.457
4.70
1.429
134
88
1.455
4.80
1.436
124
106
1.453
4.90
1.442
113
120
1.451
4.95
1.447
99
129
1.450
5.00
1.454
83
130
1.450
5.05
1.462
68
123
1.451
5.10
1.469
57
112
1.452
5.20
1.476
48
100
1.453
5.30
1.484
40
87
1.455
5.50
1.491
36
77
1.456

表4
强迫力矩周期（s）
（0）读取值
θ（0）测量值

()2

1.419
146
69
1.027
0.30
146
1.429
134
88
1.018
0.48
135
1.436
124
106
1.012
0.69
123
1.442
113
120
1.007
0.86
111
1.447
99
129
1.002
0.98
97
1.454
83
130
0.997
0.98
80
1.462
68
123
0.993
0.87
67
1.469
57
112
0.989
0.73
58
1.476
48
100
0.985
0.59
49
1.484
40
87
0.981
0.46
42
1.491
36
77
0.977
0.39
37