CN104680896A - 固有频率测量演示器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固有频率测量演示器，属于教学用具。本发明底板上固定安装有玻璃容器，所述玻璃容器为圆筒形，圆筒形玻璃容壁上分别设有刻度尺和水量基准线，所述玻璃容器下部设有进水口，进水口通过注水管路与储水槽出水口连接，储水槽通过管路与水泵连接；所述注水管上设有分流口，分流口上接有分注管；玻璃容器上方设有扬声器，扬声器与音频信号发生器连接，靠近扬声器的玻璃容器上设有分贝计，所述音频信号发生器与电源连接。本发明注水采用了从玻璃容器下部注入的方法，避免了从上部注水产生的水面震荡现象，通过注水改变容器的有效测量体积，从而使固有频率发生变化。本发明实现了在教学中进行测量演示物体的固有频率；谐振最小激励强度，以及体积的大小与固有频率之间的关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种固有频率测量演示器，属于教学用具。
背景技术
任何物体都具有固有频率，由它的材质、结构、大小、性状等因素来决定，固有频率是物体自身固有的一种物理特征。当物体受到某一特定频率策动时，能够引起振动并使幅度达到最大值，这个频率就是物体的固有频率。可是，如何见证物体具有固有频率？至今，在教学中尚没有市售仪器以供演示，因而感到质疑和困惑，因此，有必要发明一种固有频率演示器，填补教学空白，以便学生能够从感性上得到认知。
固有频率在生产实践中具有广泛的应用价值，比如靠近铁路的建筑物，当有列车通过时，就会将其振动通过地面传递给建筑物,如果振动频率恰好与建筑物的固有频率相同，这个建筑物就会产生共振，幅度也会越来越大至使建筑物损坏。在大剧院、礼堂都会使用扩音设备，如果建筑物或其室内的一些设备的固有频率，恰好与扩音音响的某一频率相同，也会产生共振，这种共振的声波再次传至麦克风，就会形成正反馈而引起刺耳的啸叫。固有频率特性在工业上得到广泛的应用，尤其在电子技术领域，比如：晶体管、电感线圈、高频电容等元器件，从家用电器感受最为明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种充实教学设备，加深学生感性认识，填补教学空白的固有频率测量演示器。
技术解决方案：
本发明包括：底板、音频信号发生器、分贝计、扬声器，所述底板上固定安装有玻璃容器，所述玻璃容器为圆筒形，圆筒形玻璃容壁上分别设有刻度尺和水量基准线，所述玻璃容器下部设有进水口，进水口通过注水管路与储水槽出水口连接，储水槽通过管路与水泵连接；所述注水管上设有分流口，分流口上接有分注管；玻璃容器上方设有扬声器，扬声器与音频信号发生器连接，靠近扬声器的玻璃容器上设有分贝计，所述音频信号发生器与电源连接。
所述玻璃容器上的进水口及储水槽上的出水口分别安装有截止阀，分注管上安装微调阀。
所述分贝计挂于玻璃容器上部。
所述扬声器放置在支架上，所述支架包括：呈三角形设置的立柱，及固定安装在立柱顶部的托板，所述托板上开有放置扬声器的通孔，所述通孔与所述玻璃容器开口相对应，通孔处设有垫片。
本发明注水采用了从玻璃容器下部注入的方法，避免了从上部注水产生的水面震荡现象，圆筒形玻璃容壁上分别设有刻度尺和水量基准线，采用音频信号发生器、分贝计、扬声器，通过注水改变容器的有效测量体积，从而使固有频率发生变化。本发明信号发生器用于追踪被测物的固有频率，分贝计用于比较检测共振与否响度的变化，实现了在教学中进行测量演示物体的固有频率；谐振最小激励强度，以及体积的大小与固有频率之间的关系。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明测量高度与固有频率之间关系图；
图4为本发明体积减小与固有频率增加关系图。
具体实施方式
本发明底板1上分别固定安装有圆筒形透明玻璃容器2，放置扬声器4的支架、放置储水槽12的储水槽架13，所述玻璃容器2与储水槽12分别置于扬声器的支架的两侧，所述支架由呈三角形（两个平行设置立柱6、单个立柱7）设置的立柱组成，立柱顶部固定安装有托板3，托板3置于玻璃容器2上方，托板3上开有放置扬声器4的通孔，为防止扬声器4晃动，在通孔处设有垫片，所述通孔与所述玻璃容器2开口相对应，扬声器与音频信号发生器连接，所述音频信号发生器与电源连接，分贝计4通过挂架设置在靠近扬声器的玻璃容器1上，为便于观察和掌握注水量，所述圆筒形玻璃容器2侧壁上分别设有刻度尺和水量基准线，玻璃容器2下部设有进水口，进水口通过注水管路10与储水槽12出水口连接，储水槽12内的水通过水泵注入玻璃容器2内，注水管上设有分流口5，分流口5上接有分注管8，玻璃容器2下部设的进水口、储水槽12出水管分别安装有截止阀11，分注管8上安装微调水阀9用于调节水量。
所述透明玻璃空器2是被测物，内径15厘米，有效测量高度20-30厘米，截面积176平方厘米，有效测量体积从3534.2m3、3887.6 m3、4241.0 m3、4594.5 m3、4948.0 m3至5301.4 m3。
本发明选用圆筒形玻璃容器2作为被测物，利用音频信号发生器作为激励声源，去追踪固有频率，当激励声源与被测物的固有频率相同时，就会激发被测物产生胁迫振动，这样，激励声与被测物的谐振声二者叠加响声明显增大，产生共鸣，此时，信号发生器显示的频率，即为该物体的固有频率。此后，回调激励声源幅度至“0”位，再缓慢调高，在某一点上会出现声音突然放大，这个点位就是谐振的最小激励强度。如果改变激励声的频率或改变被测物的体积、形状条件，破坏掉谐振的要件，也就是激励声源与被测物的固有频率不相同，不产生谐振，共鸣声消失，响声减小，从而证实物体具有固有频率。本仪器还利用向器皿内依次注水的方法，改变玻璃容器2内水的有效被测体积，再分别测量找出一组体积不同的谐振点（固有频率），根据这一组测得的数据，就可以分析出体积与固有频率之间的关系。
具体测试方法和步骤：
1、准备：打开音频信号发生器预热5分钟，将“频率调整”按钮至于低位，“幅度”按钮调至0位；打开分贝计4（调整在正常和快速测量位）并放在分贝计挂架上；将储水槽12中加入2公斤水。
2、测试固有频率步骤如下：打开玻璃容器2下部进水口及储水槽12出水管上的截止阀11及水泵，将储水槽12内的水通过水泵向玻璃容器2内注水至基准线5301.4m3，并利用注水管路10上的分流管上的微调水阀9修正误差。逐渐调大频信号发生器的“幅度”按钮，使调大频信号发生器振幅逐步增大，设定输出电压为3伏，缓慢调高频信号发生器的“频率调整”按钮，同时随时感受玻璃容器2内水声的变化（谐振点响度增大），同时观察分贝计4数字的变化（谐振点数字增大），若激励声源足够大就能从分贝计4数字变化点处找到谐振点；找到谐振点之后，调低或调高音频信号发生器频率，移离谐振点，响度如果减小，就说明谐振点准确，反之不准确。
或在找到谐振点之后，移开扬声器，如果谐振点准确，则响度会明显减小。如果谐振点不准确，则响度无明显变化，通过此步骤进一步进行确定谐振点。准确的谐振点就是该玻璃容器2的固有频率。
3、测试最小激励功率步骤如下：在确定了谐振点之后，音频信号发生器的“频率调整”按钮保持原位不动，回调音频信号发生器“幅度”按钮至最低位，然后再缓慢调高，当达到最小激励功率时，玻璃容器2内水声瞬间增大，分贝计4上的数值同进增大，此时的临界点电压，就是谐振的最小激励功率。
4、测试体积与固有频率之间的关系方法如下：向玻璃容器2内注水，根据玻璃容器2上刻度，水位提高1厘米，相当于玻璃容器2的有效测量高度减少1厘米，其体积也相应的减小176.7cm3，用测试固有频率的方法找到并记录一个谐振点，按上述方法依次进行，就会得到一组不同体积的固有频率数据，根据这一组数据，就可以做表、做图，清楚明了的分析出体积与固有频率之间的关系。
测试条件及结果
1、条件。内蒙古中部区，海拔1100米，气温在21℃时，使用RK1212BL型音频信号发生器和 TM810M型分贝测试计。
2、测试结果如下表：
固有频率测试表
根据上表，被测物玻璃容器2的测量高度与固有频率之间关系，制作坐标如图1：
根据测量结果计算：体积减小与固有频率升高之间的百分比制成坐标如图2。
分析和结论
根据上表和图3-4中的数据分析，得出以下结论：第一，据分贝计4测得的结果，谐振与不谐振时的响度差在20分贝上下，证实物体具有固有频率。
第二，按测试测试最小激励功率方法，测得激励电压在1.28伏以下不产生谐振，高于1.28伏才产生谐振，说明谐振必须有足够的激励强度，本实验最小激励功率为0.20瓦。
第三测试按体积的大小与固有频率方法，得到体积的大小与固有频率之间的关系：将表中最大测量体积5301.4 立方厘米与最小测量体积3710.7立方厘米进行比较，体积减小了1590.7立方厘米，而固有频率升高为315﹣247﹦68赫兹,证实体积减小而固有频率升高。
第四，从图3坐标可看出：测量高度与固有频率之间关系是：高度逐渐减小而固有频率逐渐增高。从图4坐标可看出：测量体积与固有频率的百分比之间变化关系是：体积每减少一个数量级，而固有频率相应的升高一个数量级，斜率基本上成线性。
Claims (4)
1.固有频率测量演示器，其特征在于，包括：底板、音频信号发生器、分贝计、扬声器，所述底板上固定安装有玻璃容器，所述玻璃容器为圆筒形，圆筒形玻璃容壁上分别设有刻度尺和水量基准线，所述玻璃容器下部设有进水口，进水口通过注水管路与储水槽出水口连接，储水槽通过管路与水泵连接；所述注水管上设有分流口，分流口上接有分注管；玻璃容器上方设有扬声器，扬声器与音频信号发生器连接，靠近扬声器的玻璃容器上设有分贝计，所述音频信号发生器与电源连接。
2.根据权利要求1所述的固有频率测量演示器，其特征在于，所述玻璃容器上的进水口及储水槽上的出水口分别安装有截止阀，分注管上安装有微调水阀。
3.根据权利要求1所述的固有频率测量演示器，其特征在于，所述分贝计挂于玻璃容器上部。
4.根据权利要求1所述的固有频率测量演示器，其特征在于，所述扬声器放置在支架上，所述支架包括：呈三角形设置的立柱，及固定安装在立柱顶部的托板，所述托板上开有放置扬声器的通孔，所述通孔与所述玻璃容器开口相对应，通孔处设有垫片。
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