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        受迫振動(dòng)與共振實(shí)驗(yàn)裝置

        2019-06-19 02:19:58長沙市雷鋒學(xué)校謝玉勝
        發(fā)明與創(chuàng)新 2019年30期
        關(guān)鍵詞:受迫振動(dòng)金屬片銅片

        文 長沙市雷鋒學(xué)校 謝玉勝

        一、設(shè)計(jì)背景

        生活中的受迫振動(dòng)與共振現(xiàn)象很常見,比如樂器的共鳴箱、特定聲音將玻璃杯震碎、跳水運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)跳板的振動(dòng)等,這些利用的是物體的共振。也有需要防止共振的,比如各種機(jī)器的基座、大部隊(duì)不能齊步走過橋梁、臺(tái)北101大廈內(nèi)設(shè)計(jì)的阻尼球等。

        “受迫振動(dòng)與共振現(xiàn)象”是高中物理教學(xué)中的重要內(nèi)容。目前,用來演示受迫振動(dòng)的儀器由曲軸和垂直懸掛鉤碼彈簧的曲柄組成。當(dāng)曲柄以恒定速度振蕩,周期性向上和向下的力作用于彈簧振蕩器,導(dǎo)致它作受迫振動(dòng)。該裝置的原理雖然簡單,但操作起來困難:彈簧振子并不是規(guī)律地上下振動(dòng),而是前后、左右亂蹦、亂跳。

        即便采用利用同步電機(jī)帶動(dòng)雙彈簧振子的裝置(該裝置保證了驅(qū)動(dòng)力的周期性和力度的均勻性),仍然存在一些不足。

        首先,由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速未知,施加給彈簧振子的驅(qū)動(dòng)力的頻率就是未確定的值,無法觀察到受迫振動(dòng)的物體發(fā)生共振時(shí),驅(qū)動(dòng)力的頻率與固有頻率是相等的。其次,由于彈簧振子振動(dòng)速度較快,不能準(zhǔn)確地測(cè)量振幅。一些改進(jìn)裝置盡管可以通過換算得出具體的驅(qū)動(dòng)力頻率,但操作過程繁瑣。此外,驅(qū)動(dòng)力傳遞過程可視性不強(qiáng),除少數(shù)坐在前排的學(xué)生可看到外,其他學(xué)生很難看清楚。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

        圖1教材中研究受迫振動(dòng)與共振的實(shí)驗(yàn)裝置

        為此,我經(jīng)過反復(fù)研究,對(duì)原實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

        二、基本思路

        受迫振動(dòng)與共振實(shí)驗(yàn)裝置采用手機(jī)App音頻信號(hào)發(fā)生器作為聲源,通過大功率揚(yáng)聲器發(fā)聲振動(dòng)、產(chǎn)生不同頻率的振源探究受迫振動(dòng)與共振現(xiàn)象,能直觀地演示受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率,且與固有頻率無關(guān)。其基本結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

        圖2結(jié)構(gòu)原理示意圖

        三、制作過程

        1.所需工具與器材

        電烙鐵,萬用表,鉗子,螺絲刀,美工刀,JQ2118塑料膠以及外殼,6寸10W揚(yáng)聲器,36V電源變壓器,功放集成模塊,銅片和鋅鐵片,裝有音頻信號(hào)發(fā)生器App的手機(jī),信號(hào)發(fā)生器與示波器(用于測(cè)量諧振頻率和電路的調(diào)試)。

        2.設(shè)計(jì)制作

        (1)利用LM4766功放電路自制一個(gè)30W的音頻放大電路模塊,采用36V帶中間抽頭的變壓器,以便讓全波整流濾波產(chǎn)生±18V直流電壓。

        (2)制作LM4766功放模塊。LM4766是美國NS公司開發(fā)的功率放大集成電路,它的引腳結(jié)構(gòu)是運(yùn)用15個(gè)針腳、TO-220封裝的兩聲道通路音頻功率放大芯片,這里只需接入一個(gè)聲道就能在8Ω的負(fù)載上輸出30W的平均功率,并且音色失真度小于0.1%。

        圖3LM4766功放電路

        此外,在接入LM4766雙聲道的內(nèi)部都具有獨(dú)立的靜音電路,并且通過兩個(gè)引腳的導(dǎo)線引出。它的主要作用是斷開LM4766的信號(hào)輸入,使內(nèi)部的功放無任何信號(hào)輸出。這兩個(gè)引腳以一定方式連接后,就能消除開機(jī)過程中的沖擊。

        (3)制作一個(gè)塑料支架與外殼,將整個(gè)音頻功率放大電路模塊與揚(yáng)聲器安裝在殼內(nèi),音頻信號(hào)輸入插頭接線焊接在音頻功率放大電路模塊的音頻輸入端口上。

        圖4

        (4)將 4塊厚度與寬度相同但長度不同的銅片與鋅鐵片用支架固定在揚(yáng)聲器上,便于進(jìn)行兩兩對(duì)比實(shí)驗(yàn),并用JQ2118塑料膠粘牢,待干燥后使用。金屬片支架通過螺絲固定,如圖5、圖6。4塊金屬片的厚度與寬度分別為0.25mm和2cm,長度由下到上分別為:銅片18cm、鋅鐵片18cm、銅片15cm、鋅鐵片15cm,如圖7所示。

        圖5金屬片的加工制作

        圖6 金屬片支架的固定

        圖7

        四、性能調(diào)試及使用方法

        1.連接電路,確保線路無誤。

        2.固定所有部件,將音頻信號(hào)輸入插頭接線連接至手機(jī)耳機(jī)插孔后接220V電源。

        3.打開手機(jī)音頻信號(hào)發(fā)生器App,調(diào)整輸出音量大小,金屬片開始振動(dòng),將頻率調(diào)至10Hz左右,觀察金屬片的振動(dòng)情況。

        經(jīng)過對(duì)比測(cè)試,正弦波信號(hào)相比矩形波和三角波信號(hào)純正,受迫振動(dòng)與共振現(xiàn)象明顯,產(chǎn)生簡諧振動(dòng),不受諧波干擾。此時(shí)應(yīng)注意通過示波器觀察功放模塊輸出波形是否切割失真,通常以輸出波形不切割失真并且幅度最大為準(zhǔn),記錄此時(shí)的音量輸出大小。

        圖8 發(fā)生矩形波信號(hào)時(shí)多個(gè)金屬片受干擾情況

        4.逐漸增大手機(jī)App音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率,按1Hz遞增,觀察金屬片的振動(dòng)情況,當(dāng)某個(gè)金屬片振動(dòng)幅度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出頻率即為該金屬片的共振頻率。

        5.經(jīng)過反復(fù)調(diào)試并與專業(yè)音頻信號(hào)發(fā)生器對(duì)比測(cè)試,4塊長短不同的銅片和鋅鐵片的共振頻率由下到上分別為16Hz、30Hz、24Hz、43Hz,如圖 9。

        圖94塊不同金屬片共振時(shí)的情況

        五、注意事項(xiàng)

        1.使用時(shí)不應(yīng)直接用手觸摸金屬片,以防受傷和引起金屬片生銹。

        2.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要關(guān)閉電源并將輸出功率旋鈕調(diào)到最小,然后拔掉音頻信號(hào)輸入插頭。

        3.安裝與拆下金屬片支架時(shí)應(yīng)該小心旋轉(zhuǎn),不應(yīng)用力過猛。

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