[發明專利]受迫振動阻尼單擺

無效

• 申請號: 201310287552.0
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103310687A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 吳慶春;錢仰德;劉揚正
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種物理學中力學方面的實驗儀器，尤其是一種用于研究受迫振動方面物理規律的受迫振動阻尼單擺。

背景技術

現有的一些研究受迫振動方面的物理實驗儀器，其共同的特征都是采用一個作定軸轉動的圓盤，使其在扭轉彈簧的力矩下繞圓盤的轉軸來回往復地扭轉振動，同時用一個周期性的外力矩借助另外一個扭轉彈簧間接地對圓盤施加個一強迫力矩，從而達到讓圓盤作受迫扭轉振動的目的。上述的這些研究受迫振動方面的物理實驗儀器，因圓盤振動時固有的振動頻率不可調，且轉過的角度觀察不夠直觀、儀器的實驗功能比較單一以及受實驗裝置的結構比較復雜、儀器成本和價格都較高等因素的影響，所以使這類研究受迫振動方面的物理實驗儀器的推廣應用受到一定限制。

發明內容

為了克服現有的研究受迫振動方面的物理實驗儀器的上述共同缺陷，本發明設計了一個全新的研究受迫振動的實驗儀器，即：受迫振動阻尼單擺。該儀器采用阻尼單擺來作為受迫振動的研究對象，其作為周期性振動的恢復力來自重力而非彈簧的扭轉力，有利于儀器結構的簡化和成本的降低。單擺的固有振動周期可調，通過對單擺振動的測量來研究受迫振動的周期和相位、振幅等比以往儀器的圓盤扭轉振動更為直觀。采用本儀器的設計方案后，如果把產生強迫力的調速電機關閉，并把產生阻尼力的阻尼盒上部的空氣阻尼氣缸移開，則本儀器就成為了一臺自由單擺，可以利用本儀器做單擺測重力加速度的實驗，擴充了儀器的實驗使用范圍。在本儀器實現受迫振動的方式上，本發明也采取了一種很獨特的方法，它不是采用其它同類儀器那樣對轉動圓盤施加強迫力矩的方法，而是用一個調速電機通過曲軸連桿系統和阻尼盒相連，并通過阻尼盒下面的卡口帶動單擺的活動轉軸在水平方向作往復的直線運動，向其提供周期性的沿水平方向的強迫力，從而使單擺獲得維持穩定的受迫振動狀態所需的能量。

本發明的設計原理依據如下所述：

1.能維持穩定的受迫振動狀態的物體通常需要滿足三個條件，即：物體本身可以做近似簡諧的自由振動、在做振動時受到一個阻尼力或阻尼力矩，同時還受到一個穩定的周期性的強迫力或強迫力矩，此周期性的強迫力或強迫力矩的作用是為振動物體維持穩定的受迫振動狀態提供補充能量。本發明的實驗儀器對以上的三個條件都能滿足。

2.本發明的實驗儀器為振動物體提供補充能量的方法是：用一個調速電機通過曲軸連桿系統和阻尼盒相連，并通過阻尼盒下面的卡口帶動活動轉軸在水平方向作往復的直線運動，向其提供周期性的沿水平方向的強迫力，從而使單擺獲得維持穩定的受迫振動狀態所需的能量。

3.本發明的實驗儀器為振動物體提供阻尼力的方法是：用與單擺的剛性擺桿和軸承套連為一體的撥桿穿過安裝在阻尼盒上方的空氣阻尼氣缸的活塞桿套環，單擺擺動時撥桿也撥動活塞桿來回運動。調節空氣阻尼氣缸上的氣流閥就可改變空氣阻尼氣缸的活塞桿對撥桿的阻尼力的大小。

4.本發明的實驗儀器測量強迫力與單擺之間振動的相位差的方法是：在與提供強迫力的調速電機轉軸相連的光電輪邊緣安裝一個光電門，通過光電門記錄調速電機轉動的零時刻；同時又在單擺的正下方也安裝一個光電門，當單擺擺桿按正方向經過該光電門時記錄下另一個零時刻。用儀器的電氣測量控制箱中的單片機測出這兩個零時刻間的時差，假設為Δt，又假設光電輪或單擺的振動周期為T，則強迫力與單擺之間振動的相位差Δφ為：此相位差是研究受迫振動的一個重要實驗測量參數。