SU1721623A2 - Устройство дл демонстрации и исследовани колебаний конструкции - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к учебным приборам по механике. Цель изобретени  - рас- ширение дидактических возможностей устройства. Устройство содержит основание 1, опоры 2 и 3, установленную на опорах балку 4, оптический квантовый генератор 5, блок 6 модул ции, коллиматор 7. блок 8 регистрации , фотоприемник 9, коллиматор 10, интерференциальный фильтр 11, блок 12 формировани  управл ющих импульсов, усилители 13, 22 и 28, магнитоэлектрические преобразователи 14, толкатель 15, диффузор 16,электрооптический модул тор 17, модул тор 18, генератор 19 поднесущей частоты , фотоэлектронный умножитель 20, блок 21 питани , амплитудный детектор 23, активный фильтр 24, блок 25 преобразовани  в пр моугольные импульсы, генераторы 26 и 29 электрических импульсов, устройство 30 временного сдвига,выключатель 31 и резьбовую стойку 32 с гайками 33 и с контргайками 34.8 ил. со С ю

Description

Изобретение относитс  к учебным приборам по механике и  вл етс  усовершенствованием устройства по авт. св. № 1536428.

Известное устройство дл  демонстрации и исследовани  колебаний конструкции содержит основание с опорами дл  установки конструкции, источник механических колебаний , блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник и блок формировани  управл ющих импульсов, при этом источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразовател  с усилителем дл  взаимодействи  с конструкцией, причем квантовый генератор оптически св зан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формировани  управл ющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и третий входы которого св заны соответственно с первым и вто- рым выходами блока формировани  управл ющих импульсов, второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразовател , соединенному с четвертым входом блока регистрации, При этом блок формировани  управл ющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор , перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор элект- рических сигналов, причем вход амплитудного детектора  вл етс  входом блока формировани  импульсов, причем выход амплитудного детектора  вл етс  первым выходом блока формировани  импульсов, а выход генератора электрических сигналов  вл етс  вторым выходом блока формировани  импульсов.

Недостатком известного устройства  вл ютс  его ограниченные дидактические возможности, так как оно не позвол ет демонстрировать  вление принудительной синхронизации (захватывани ).

Целью изобретени   вл етс  расширение дидактических возможностей устройст- ва за счет демонстрации  влени  принудительной синхронизации.

В известное устройство дл  демонстрации и исследовани  колебаний конструкции введены дополнительный источник механи- ческих колебаний выполненный в виде магнитоэлектрического преобразовател  с толкателем дл  взаимодействи  с конструкцией , дополнительный усилитель, генератор импульсов, узел временного сдвига и переключатель, вход которого подключен к выходу усилител , а выход соединен с входом узла временного сдвига, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу магнитоэлектрического преобразовател  дополнительного источника механических колебаний и четвертому входу блока регистрации, п тый и шестой входы которого соединены соответственно с первым выходом дополнительного усилител  и генератора импульсов, второй выход которого соединен с выходом дополнительного усилител , второй выход которого подключен к выходу магнитоэлектрического преобразовател  дополнительного источника механических колебаний, причем источники механических колебаний установлены на стойке с возможностью перемещени  относительно конструкции.

Эти новые существенные признаки в совокупности с существенными признаками известного устройства позвол ют в автоколебательном режиме воздействи  на конструкцию первого источника механических колебаний (когда устройство работает как автоколебательна  система) при включении дополнительного источника колебаний демонстрировать  вление принудительной синхронизации, которое заключаетс  в том, что при достаточно малой разности между частотой автоколебательной системы и частотой воздействи  дополнительного источника колебаний устойчивое периодическое движение конструкции приобретает частоту воздействи  дополнительного источника колебаний. Кроме того обеспечиваетс  демонстраци  развити  колебаний конструкции в автоколебательном режиме воздействи  в соседние пучности колеблющейс  конструкции, при этом, когда с помощью резьбовой стойки, гаек и контргаек устанавливаютс  источники механических колебаний определенным образом (области воздействи  источников наход тс  на рассто нии половины длины волны колеблющейс  конструкции) и устанавливают автоколебательный режим воздействи  двух источников механических колебаний, сдвига  на г Т/2 с помощью устройства временного сдвига сигнал на входе второго источника механических колебаний по сравнению с сигналами на входе первого источника механических колебаний (г - врем  задержки, Т - период колебаний конструкции ), убеждаютс  в том, что существенно сокращаетс  врем  переходного процесса в сравнении с случаем, когда происходит воздействие одного источника, и, что количество импульсов от двух источников меньше в этом случае до достижени  установившегос  режима, чем в случае воздействи  одного источника.

Рассмотрим возникновение резонансных колебаний на одной из собственных

частот в режиме вынужденных колебаний. Зависимость от времени перемещени  некоторой области поверхности конструкции, наход щейс  в зоне действи  вынуждающего воздействи  со стороны магнитоэлектри- ческого преобразовател  может быть найдена из известного дифференциального уравнени  вынужденных колебаний. Если сила трени  пропорциональна скорости перемещени , то уравнение имеет вид:

fi fr +fitfv-l®,. (1)

где,« - масса единицы поверхности конструкции;

2 Р- коэффициент затухани ;

О) - собственна  частота;

f (t) - закон изменени  вынуждающего воздействи  во времени.

Решение (1) имеет известный вид

a)® e sWt-t HCt jdt1, (2)

о

где f- момент действи  источника вида

a (t-t1).

Формула (2) позвол ет исследовать ко- лебани  при произвольной зависимости от времени вынуждающей силы.

В этом случае, когда колебани  происход т под действием внешней силы в виде п импульсов, следующих с периодом Т1, воз- буждающее воздействие записываетс  следующим образом:

f(t) OnpHkT + (k+1)T ; . 1 прикТ + r,

(3)

rflek 0,1(n-1);

г-длительность импульса. Подставл   (3) в (2) получают

а)

«ы;г2г

х (t-t)dt.(4)

Интегриру  (4), учитыва , что трение ма- ло (ft2 « , и суммиру  получившийс  при этом р д, получают в случае совпадени  собственной частоты и частоты вынуждающего воздействи 

., пъТ

(0(1) .§ х

v ца 1 -е.

хе (t- «)

(5)

Если вынуждающие импульсы от магнитоэлектрического преобразовател  следуют в два раза чаще резонансной последовательности Т Т/2, из (5) получают

5 10

15

«о

25

30

35

40

45 50

55

251гш| 1+(iy-ie r/t

y(t) ,,.х

v

хё1 sinu(t-|).(6)

Из формулы (6) следует, что в данном случае увеличени  амплитуды колебаний не происходит, так как импульсы через один попадают в противофазу с колебани ми поверхности конструкции и гас т их. Однако, если возбуждающие импульсы поочередно мен ют знак, т.е.

f (-1)knpHk t kI-l-T;

f(t)f(7)

I 0 при остальных t , вместо формулы (6) получаетс  выражение.

совпадающее с (5) при N -, т. е. применение возбуждающего воздействий магнитоэлектрического преобразовател  вида (7) эквивалентно уменьшению декремента затухани  в два раза, что значительно сокра- щаетврем  раскачки (переходный период) конструкции. Реализовать нагружение вида (7) в предлагаемом устройстве позвол ет воздействие двух источников механических колебаний.

На фиг. 1 представлено устройство дл  демонстрации и исследовани  колебаний конструкции, общий вид; на фиг. 2 - блок модул ции излучени ; на фиг. 3 - фотоприемник; на фиг. 4 - блок формировани  управл ющих импульсов; на фиг. 5-8 - схема воздействи  на конструкцию.

Устройство дл  демонстрации и исследовани  колебаний конструкции содержит основание 1 (фиг. 1), установленные на основании опоры 2 и 3, установленную на опорах конструкцию, например балку 4. Оптический квантовый генератор 5 (например , газовый ОКГ типа ЛГ-126) снабжен оптической системой дл  подвода излучени  к поверхности конструкции 4, включающей блок 6 модул ции и, например, коллиматор 7. Кроме того, устройство содержит подключенный к блоку 8 регистрации (например, многоканальный осциллограф типа Н-117), фотоприемник 9 и оптическую систему подвода отраженного от конструкции 4 излучени  генератора 5 к фотоприемнику 9, включающую коллиматор 10 и ин- терференциальный фильтр 11, настроенный на длину волны излучени  генератора 5. Выход фотоприемника 9 подключен к входу блока 12 формировани  управл ющих импульсов , один из выходов которого подключен к блоку 8 регистрации. Источник механических колебаний содержит усилитель 13 (например, усилитель мощности УКУ-020) и магнитоэлектрический преобразователь 14 (например, динамик 30 ГД-2), при этом магнитоэлектрический преобразователь снабжен толкателем 15 (прикреплен- ным, например, к диффузору 16 динамика 14), а один из выходов усилител  13 подключен к блоку 8 регистрации.

Блок 6 модул ции (фиг. 2) содержит, на- пример, электрооптический модул тор 17 (например,МЛ-3) с источником напр жени  смещени  рабочей точки модул тора 18 и подключенный к нему генератор 19 подне- сущей частоты дл  обеспечени  возможно- сти усилени  сигнала, несущего полезную информацию о колебани х конструкции 4 с помощью узкополосного усилител  (в качестве генератора 19 может быть использован генератор ГЗ-41,1

Фотоприемник 9 (фиг. 3) содержит, например , фотоэлектронный умножитель 20 (например, ФЭУ-31А)с блоком 21 питани  и усилитель 22, в качестве которого может быть использован, например, селективный микровольтметр В6-1. Блок 12 формировани  управл ющих импульсов (фиг. 4) содержит , например, амплитудный детектор 23, активный фильтр 24, в качестве которого может быть использован усилитель с частот- но-зависимой положительной обратной св зью, выполненный, например, на основе моста Вина, блок 25 преобразовани  сигнала в пр моугольные импульсы 25(например, усилитель-формирователь УЗ-29), генера- тор 26 электрических импульсов, работающий в режиме внешнего запуска (например, Г5-26). Кроме того, устройство содержит еще один источник механических колебаний , выполненный в виде магнитоэлектри- ческого преобразовател  27 (фиг. 1) (аналогичен магнитоэлектрическому преобразователю 14) с усилителем 28 (например, усилитель мощности УКУ-020) дл  взаимодействи  с конструкцией 4, еще один гене- ратор 29 электрических сигналов (например Г5-26), соединенный с блоком 8 регистрации и усилителем 28, последний также соединен с блоком 8 регистрации. Кроме того, устройство снабжено устройством 30 временного сдвига (например, генератор с внешним запуском Г5-26), вход которого через выключатель 31 подключен к усилителю 13, первый выход 30 подключен к входу дополнительного магнитоэлектрического преобразовател  27, а второй выход - к блоку 8 регистрации. Кроме того, устройство снабжено установленной на основании 1 резьбовой стойкой 32 с гайками 33 и контргайками 34 дл  установки магнитоэлектрических преобразователей 14 и 27 с возможностью их перемещени  относительно друг друга.

Устройство дл  демонстрации и исследовани  колебаний конструкции работает следующим образом.

Демонстраци   влени  принудительной синхронизации (выключатель 31 разомкнут ) производитс  в следующем пор дке.

Запускают оптический квантовый генератор 5, его излучение, модулированное по амплитуде блоком 6 модул ции, с помощью коллиматора 7 подводитс  к поверхности конструкции 4 (модул ци  осуществл етс  с помощью модул тора 17с подключенным к нему генератором 19 дл  обеспечени  возможности усилени  сигнала, несущего полезную информацию о колебани х конструкции 4 с помощью узкополрсного усилител  22). Излучение оптического квантового генератора 5 модулируетс  по амплитуде колеблющейс  поверхности конструкции 4 (при включении оптического квантового генератора 5 будет подан первый импульс на усилитель 13 и магнитоэлектрический преобразователь 14 источника механических колебаний). Отраженное излучение генератора 5 с помощью оптической системы (коллиматора 10 и интерференционного фильтра 11, настроенного на длину волны излучени  оптического квантового генератора 5) подводитс  к фотоприемнику 9, где сигнал усиливаетс  с помощью узкополосного усилител  22 и подаетс  на блок 12 формировани  управл ющих импульсов, а также на блок 8 регистрации дл  контрол  качества принимаемого сигнала. В блоке формировани  управл ющих импульсов сигнал поступает на амплитудный детектор 23, с выхода которого снимаетс  сигнал, содержащий информа- цию о частоте, амплитуде и форме колебаний конструкции (поступает на блок 8 регистрации), этот сигнал представл ет собой периодическую функцию времени, близкую к синусоидальной. Чтобы устранить вли ние высших гармоник на формирование управл ющих импульсов в блок введен перестраиваемый активный фильтр 24, Сигнал с него преобразуетс  в импульсы с помощью усилител -ограничител  25 и генератора 26 импульсов. Импульсы с формировател  12 поступают на усилитель 13 (сигнал с выхода усилител  контролируетс  с помощью блока 8 регистрации), а затем на магнитоэлектрический преобразователь 14, последний посредством толкател  15 взаимодействует с конструкцией 4.

Таким образом, момент времени подвода механической энергии к конструкции 4 определ етс  параметрами колебаний конструкции 4. При этом амплитуда колебаний постепенно возрастает по закону, определ емому добротностью колебательной системы . Наступает установившийс  режим колебаний в автоколебательной системе. После этого включаетс  в работу генератор

29электрических сигналов (выбранна  частота сигнала регистрируетс  с помощью блока 8 регистрации), сигнал с которого усиливаетс  с помощью усилител  28 (сигнал с выхода усилител  28 контролируетс  с помощью блока 8 регистрации) и поступает на вход магнитоэлектрического преобразовател  27, последний с заданной частотой, посредством толкател , взаимодействует с конструкцией 4. При достаточно малой разности между частотой автоколебательной системы и частотой воздействи  на конструкцию 4 магнитоэлектрического преобразовател  27 устойчивое периодическое движение системы преобразует частоту этого воздействи  - демонстрируетс   вление принудительной синхронизации.

Демонстраци  развити  колебаний конструкции в автоколебательном режиме воз- действи  (выключатель 31 замкнут, блоки 28 и 29 отключены) в соседние пучности колеблющейс  поверхности конструкции производитс  в следующем пор дке.

Предварительно провод т демонстра- цию колебаний конструкции в автоколебательном режиме воздействи  с помощью одного источника 13 и 14 механических колебаний , как указано (выключатель 31 разомкнут , блоки 28 и 29 отключены), при этом определ ют врем  переходного режима (врем , необходимое дл  достижени  установившегос  режима колебаний), число импульсов за это врем , формы колебаний конструкции (узловые точки и пучности ко- леблющейс  конструкции могут быть определены либо визуально, либо наощупь, либо с помощью датчиков деформации, например , наклеенных на поверхность конструкции тензодатчиков). После этого устанавливают дополнительный магнитоэлектрический преобразователь 27 на резьбовой стойке 32, фиксиру  с помощью гайки 33 и контргайки 34 в таком положении, чтобы толкатель магнитоэлектрического преоб- разовател  27 отсто л от толкател  15 магнитоэлектрического преобразовател  14 на половину длины волны колеблющейс  конструкции (воздействовал бы в соседнюю пучность конструкции)..

После этого выставл ют на устройстве

30временного сдвига задержку во времени т, равную половине периода колебаний конструкции Т (т Т/2) (длину волны колеблющейс  конструкции и период колебаний Т определ ют в предварительном эксперименте ). После этого в указанном пор дке запускают установку в автоколебательном режиме воздействи  (выключатель 31 замкнут ), при этом схема воздействи  показана на фиг. 5-8. После воздействи  от магнитоэлектрического преобразовател  14 (фиг. 5), импульс, задержанный с помощью устройства 30 на половину периода колебаний конструкции .4, поступает на магнитоэлектрический преобразователь 27 и происходит воздействие на соседнюю пучность ко- леблющейс  поверхности (фиг. 7). Определ етс  врем  переходного процесса и число импульсов за это врем  и показываетс , что эти величины меньше, чем в первом случае (в предварительном эксперименте ). В приведенном примере конструкции (стержень, пластина) форма колебаний, указанна  на фиг. 5-8, реализуетс  только при определенных услови х испытани , однако в случае, например, оболочки реализуютс  сразу только многоузловые формы колебаний .

Технико-экономический эффект от использовани  изобретени  заключаетс  в расширении дидактических возможностей устройства, так как помимо демонстрации колебаний конструкции в режиме вынужденных колебаний, в автоколебательном режиме воздействи , обеспечена демонстраци   влени  принудительной синхронизации , кроме того обеспечена возможность исследовани  величины интервала захватывани , т. е. той наибольшей разности частот (при регулировании частоты сигналов генератора 29) автоколебательной системы и воздействи  магнитоэлектрического преобразовател  27, при которой еще имеет место захватывание. Кроме того, обеспечена возможность демонстрации развити  колебаний конструкции в автоколебательном режиме воздействи  в соседние пучности колеблющейс  поверхности конструкции.

Предлагаемое устройство целесообразно использовать в ВУЗах и техникумах на лекци х и в лабораторном практикуме по механике.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  демонстрации и исследовани  колебаний конструкции по авт. св. № 1536428, отличающеес  тем, что, с целью расширени  дидактических возможностей устройства путем демонстрации  влени  принудительной синхронизации, в него введены дополнительный источник механических колебаний, выполненный в виде магнитоэлектрического преобразовател  с

   толкателем дл  взаимодействи  с конструкцией , дополнительный усилитель, генератор импульсов, узел временного сдвига и переключатель, вход которого подключен к выходу усилител , а выход соединен с входом узла временного сдвига, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу магнитоэлектрического преобразовател  дополнительного источника механических колебаний и к четвертому входу блока регистрации, п тый и

   0

   шестой входы которого соединены соответственно с первыми выходами дополнительного усилител  и генератора импульсов, второй выход которого соединен с входом дополнительного усилител , второй выход которого подключен к входу магнитоэлектрического преобразовател  дополнительного источника механических колебаний, причем источники механических колебаний установлены на стойке с возможностью перемещени  относительно конструкции.

   От5

   ФшВ

   Фигл

   4fJ

   Огл9

   50

   От Я

   55

   У77777

   Фие.5

   l

   От 27

   Фиг. 7