范文一:FeMn阻尼合金简支梁受迫振动时的幅频特性
振动与冲击
第27卷第lO期
JOURNA
I.OFVIIjRATI(IN
AND
SHOCK
Fe-Mn阻尼合金简支梁受迫振动时的幅频特性
黄姝珂L
李宁2,
文玉华2,
胥永刚1,
滕劲2
2,
(1.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240;2.四川大学制造科学与丁程学院,成都610065)
摘
要:针对目前阻尼合金研究试样较小、测试方法和条件同实际应用环境相差较大的问题,采用Fe—Mn阻尼合
金和45钢制作成同尺寸的简支梁,在振动台上进行激振实验,测试其在受迫振动条件下的幅频响应特性。有助于认识大尺寸Fe—Mn合金构件在受迫振动条件下的阻尼减振行为,为进一步推动其在工程中应用奠定基础。实验结果表明:在受迫振动条件下.Fe—Mn阻尼合金梁的阻尼减振特性主要表现在大幅度降低共振时的振幅和明显减小产生共振的频率范围两方面,这在T程中具有很好的应片j前景;激振强度较大时,Fe.Mn阻尼合金梁展现出很好的阻尼减振性能,而激振较小时,阻尼减振性能不明显,说明其适用于受较大力和冲击场合下的减振。
关键词:阻尼合金;阻尼减振;Fe.Mn;简支梁;受迫振动;幅频特性中图分类号:TGl35.7
文献标识码:A
随着现代工业的迅速发展,交通、能源、建筑、航天等领域对机器及其部件的要求也愈发苛刻,主要表现在高速重载条件下要求零部件保持高强度的同时,还能够具有低损耗和长寿命的特点。但是,机器及其零部件在运转过程中所产牛的振动,特别是共振,严重影响机构零部件的寿命,降低机械产品的质龟以及仪器仪表的精度和可靠性。为了解决这一日益突出的问题,阻尼合金应运而牛。阻尼合金具有普通金属材料的力学性能,能够满足现代机器构件的强度要求,又兼具较好的阻尼减振性能,用它制造的振动源构件可以在短时间内将振动振幅降低下来,不但能够减振提高构件的使用寿命及可靠性,还能有效地抑制噪声的产生。
根据阻尼机制的不同,阻尼合金主要可分为以下几类:铁磁型(Fe—Cr、Fe—A1等)…、孪晶型(Mn—Cu、Ni—Ti、Cu—zn—Al等)口J、复相型(灰铸铁、zn—AI)¨j、位错型(Mg—Zr)H。、以及Fe—Mn合金”J。其中Fe—Mn阻尼合金具有j大特点№J:第一,阻尼性能随应变振幅的增加而呈现近似线形增加,适用于受较大力和冲击的构件,比如刹车制动盘、齿轮和切割机等;第二,力学性能优良,抗拉强度大于700MPa,是前面几类阻尼合金中最高的;第二三,成本低,仅为Mn—Cu合金的1/4。所以,Fe—Mn阻尼合金具有很高的研究价值和广阔的应用前景。
目前对Fe—Mn合金的研究重点集中在材料本
身¨J,主要包括化学成分、热处理工艺、阻尼机制等方面,方法基本都是采用自南衰减法,频率一般同定(大约1Hz),并且研究的试样大都是直径为lmm左右的丝材。而实际中,机器构件的尺寸一般较大,并且应用条件大都是受迫振动,频率范围也很宽。所以,为了推动Fe—Mn合金在工程中的广泛应用,必须认识清楚用它制造的较大尺寸构件在受迫振动条件下的幅频特性,即揭示受迫振动时合金的阻尼减振特点。
本文分别采用Fe.Mn阻尼合金和45钢制作成尺寸相同的简支粱,在振动台上对两者进行不同强度和不同频率的激振,研究了它们在受迫振动条件下的加速度振幅共振响应特性,实验结果对Fe.Mn阻尼合金的实际应用具有一定的指导作用。
1实验材料和方法
Fe.Mn合金化学成分为Fe一17.5Mn,经过10000C热处理l小时后水冷,然后机械加_]-i成简支梁,尺寸为
600×45×7
mm。对比材料采用市售45钢,机械加工
成同尺寸的梁。
简支梁振动实验尺寸示意图和实物图如图l和图2所示。激振信号采用正弦波,激振强度通过调节输出电流控制(10
mA一500
mA),简支梁上设置三个加速
度传感器(j个测点),测量梁在受迫振动时不同位置的加速度响应。
基金项目:上海交通大学机械系统与振动围家重点实验室开放基金(VSN
一2007一04).新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET一06—793).教育部科学技术研究重点项目(107093)
收稿日期:2008—01—03修改稿收到日期:2008—02—29第一作者黄姝珂男,博士,1980年生通讯作者李宁,教授,博导
图1简支梁受迫振动示意图
82
振动与冲击2008年第27卷
振性能的本质所在。在自由衰减条件下其阻尼行为表现为短时间内降低振动振幅∞’7|,而在受迫振动条件下则表现为共振振幅明显降低。
其次,无论哪个测试点,Fe.Mn阻尼合金的共振频率范围都较45钢明显变窄,测点1变窄了64%,测点2变窄了6l%,测点3变窄了64%。可见,Fe—Mn阻尼合金在受迫振动条件下阻尼行为的表现形式除了上述的共振振幅降低外,还有共振频率范围的减小。
再次,无论是Fe-Mn阻尼合金还是45钢,离激振
图2简支梁受迫振动实物图
点越近的地方,共振振幅和共振频率范围就越大,而离激振点越远的地方,共振振幅和共振频率范围就越小。
最后,45钢简支梁的共振频率在45
Hz一46
2实验结果及讨论
图3是激振输出电流为450mA时,Fe—Mn合金与45钢简支梁上三个测试点的加速度振幅随激振频率的变化曲线。从中可以分析出如下几个方面的内容:
首先,无论哪个测试点,Fe—Mn阻尼合金的共振峰高度都明显低于45钢,测点1降低了67%,测点2降低了48%,测点3降低了7l%。结合图1,可以看出测试点离激振点越远,共振峰降低程度越大。Fe—Mn阻尼合金在周期应力的作用下,其内部的£马氏体片、层错界面和Shoekley不全位错会发生不可逆的往复运动,将振动能转化成为热能耗散掉,这是其具有阻尼减
70605040302010O
^Fe—Mn阻尼台盒
●
Hz之
间,同尺寸的Fe—Mn合金简支梁的共振频率却在43Hz左右,两者共振频率的这个差异主要是由于材料本身弹性模量和装夹情况有所不同造成的。
图4是激振输出电流为250mA时,Fe.Mn合金与45钢简支梁上三个测试点的加速度振幅随激振频率的变化曲线。从中可以同样得出上述几方面的结果,但Fe.Mn阻尼合金共振振幅和共振频率范围的降低程度没有图3中的大。可见,当激振程度较小时,Fe—Mn阻尼合金的减振优势并不很明显,说明其适合应用在受较大力和冲击场合的减振降噪。
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图4激振输出电流为250mA时Fe—Mn合金和45钢简支梁的幅频特性
(下转第86页)
振动与冲击
参考文献
2008年第27卷
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ac?
图4舱音背景声下的ROC曲线
tivitydetectionalgorithmusinglong—termspeech
information
如图4所示,在舱音背景声环境下,本文提出的语音端点检测算法性能明显优于其它三种算法。此外,在本文提出的算法的对比实验中,可以看出b=10时语音端点检测精度较b=0时精度略有提高。后向估计得应用对语音端点检测的精度提高有影响,b=0时相当于未使用后向估计。
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M
6(1):l_3.
4结论
本文提出了针对舱音背景声下的鲁棒语音端点检测方法,该算法能在复杂的非平稳、强噪声环境中保持较好的精确性、自适应性和鲁棒性。下一步将研究在多说话人干扰情况下对目标语音的检测技术,为深入分析飞行事故原因提供更准确的语音资料。
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remendationV.70,ITU?TRec—
ommendationG.729.AnnexB.1996.
(上接第82页)
3结论
1)Fe.Mn阻尼合金制作的简支梁在受迫振动条件下,其阻尼减振性能主要表现为明显降低共振时的振幅,以及大幅度减小产生共振的频率范围,在工程应用中具有很广阔的应用前景。
2)在受迫振动条件下,激振力越大,Fe—Mn阻尼合金所展现的减振效果越明显,激振力越小,减振效果越差。
3)实际应用过程中,应充分了解Fe?Mn阻尼合金的减振特点,并且要对应用环境进行预先判断分析,要尽量将Fe.Mn阻尼合金应用在受较大振动场合上,充分发挥其阻尼减振优势。
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范文二:Fe_Mn阻尼合金简支梁受迫振动时的幅频特性
Fe2M n 阻尼合金简支梁受迫振动时的幅频特性
21 , 2 2 2 1 黄姝珂 , 李 宁 , 文玉华 , 胥永刚 , 劲 滕
( )1. 上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室 ,上海 2 00240; 2. 四川大学 制造科学与工程学院 ,成都 61 0065
摘 要 : 针对目前阻尼合金研究试样较小 、测试方法和条件同实际应用环境相差较大的问题 ,采用 Fe2M n阻尼合
金和 45钢制作成同尺寸的简支梁 ,在振动台上进行激振实验 ,测试其在受迫振动条件下的幅频响应特性 ,有助于认识大
尺寸 Fe2M n合金构件在受迫振动条件下的阻尼减振行为 ,为进一步推动其在工程中应用奠定基础 。实验结果表明 : 在受
迫振动条件下 , Fe2M n阻尼合金梁的阻尼减振特性主要表现在大幅度降低共振时的振幅和明显减小产生共振的频率范围
两方面 ,这在工程中具有很好的应用前景 ;激振强度较大时 , Fe2M n阻尼合金梁展现出很好的阻尼减振性能 ,而激振较小
时 ,阻尼减振性能不明显 ,说明其适用于受较大力和冲击场合下的减振 。
关键词 : 阻尼合金 ;阻尼减振 ; Fe2M n;简支梁 ;受迫振动 ;幅频特性
中图分类号 : TG135. 7 文献标识码 : A
[ 7 ] 身 ,主要包括化学成分 、热处理工艺 、阻尼机制等方 ,交通 、能源 、建筑 、航天 随着现代工业的迅速发展
(等领域对机器及其部件的要求也愈发苛刻 , 主要表现 面 ,方法基本都是采用自由衰减法 ,频率一般固定 大
) 在高速重载条件下要求零部件保持高强度的同时 , 还 约 1H z,并且研究的试样大都是直径为 1mm 左右的丝 能够具有低损耗和长寿命的特点 。但是 , 机器及其零 材 。而实际中 ,机器构件的尺寸一般较大 ,并且应用条 部件在运转过程中所产生的振动 ,特别是共振 ,严重影 件大都是受迫振动 ,频率范围也很宽 。所以 ,为了推动
Fe2M n合金在工程中的广 泛 应用 , 必 须认 识 清楚 用它 响机构零部件的寿命 ,降低机械产品的质量以及仪器
仪表的精 度 和 可 靠 性 。为 了 解 决 这 一 日 益 突 出 的 问 制造的较大尺寸构件在受迫振动条件下的幅频特性 , 题 ,阻尼合金应运而生 。阻尼合金具有普通金属材料 即揭示受迫振动时合金的阻尼减振特点 。 本文分别采的力学性能 ,能够满足现代机器构件的强度要求 ,又兼 用 Fe2M n 阻尼合金和 45 钢制作成尺 具较好的阻尼减振性能 , 用它制造的振动源构件可以 寸相同的简支梁 ,在振动台上对两者进行不同强度和 在短时间内将振动振幅降低下来 ,不但能够减振提高 不同频率的激振 ,研究了它们在受迫振动条件下的加 构件的 使 用 寿 命 及 可 靠 性 , 还 能 有 效 地 抑 制 噪 声 的 速度振幅共振响应特性 ,实验结果对 Fe2M n 阻尼合金 产生 。 的实际应用具有一定的指导作用 。
根据阻尼机制的不同 , 阻尼合金主要可分为以下 1 实验材料和方法 [ 1 ] ( ) (几类 :铁磁 型 Fe - C r、Fe - A l 等 、孪 晶 型 M n - [ 2 ] Fe2M n合金化学成分为 Fe - 17. 5M n,经过 1000 ? ) (Cu、N i - Ti、Cu - Zn - A l等 、复相型 灰铸铁 、Zn - [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 热处理 1小时后水冷 ,然后机械加工成简支梁 ,尺寸为 ) () A l、位错型 M g - Zr、以及 Fe - M n 合金 。其 [ 6 ] 600 ×45 ×7 mm。对比材料采用市售 45 钢 ,机械加工 中 Fe - M n阻尼合金具有三大特点 : 第一 ,阻尼性能
成同尺寸的梁 。 简支梁振动实验尺寸示意图和实物图随应变振幅的增加而呈现近似线形增加 , 适用于受较
如图 1 和图 大力和冲 击 的 构 件 , 比 如 刹 车 制 动 盘 、齿 轮 和 切 割 机
2所示 。激振信号采用正弦波 ,激振强度通过调节输出 等 ;第二 ,力学性能优良 , 抗 拉 强度 大于 700M Pa, 是前
( ) 电流控制 10 mA ,500 mA ,简支梁上设置三个加速 面几类阻尼合金中最高的 ;第三 ,成本低 ,仅为 M n - Cu
() 度传感器 三个测点 ,测量梁在受迫振动时不同位置 合金的 1 /4。所以 , Fe - M n 阻尼合金具有很高的研究
的加速度响应 。 价值和广阔的应用前景 。
目前对 Fe - M n 合 金 的 研 究 重 点 集 中 在 材 料 本
基金项目 : 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室开放基金 ( V SN
) ( ) - 2007 - 04 ,新世纪优秀人才支持计划资助项目 NCET - 06 - 793 ,( )教育部科学技术研究重点项目 107093
收稿日期 : 2008 - 01 - 03 修改稿收到日期 : 2008 - 02 - 29
第一作者 黄姝珂 男 ,博士 , 1980 年生
通讯作者 李宁 ,教授 ,博导 图 1 简支梁受迫振动示意图
振 动 与 冲 击 2008年第 2782 卷
振性能的本质所在 。在自由衰减条件下其阻尼行为表 [ 6 , 7 ] 现为短时间内降低振动振幅 ,而在受迫振动条件下
则表现为共振振幅明显降低 。 其次 ,无论哪个测试点 , Fe2M n 阻尼合金的共振频
率范围都较 45钢明显变窄 ,测点 1变窄了 64 % ,测点 2
变窄了 61 % ,测点 3变窄了 64 % 。可见 , Fe2M n阻尼
合 金在受迫振动条件下阻尼行为的表现形式除了上述
的
共振振幅降低外 ,还有共振频率范围的减小 。
图 2 简支梁受迫振动实物图 再次 ,无论是 Fe2M n 阻尼合金还是 45 钢 ,离激振
点越近的地方 ,共振振幅和共振频率范围就越大 ,而离
2 实验结果及讨论 激振点越远的地方 ,共振振幅和共振频率范围就越小 。
最后 , 45 钢简支梁的共振频率在 45 H z,46 H z之 图 3是激振输出电流为 450 mA 时 , Fe2M n 合金与
间 ,同尺寸的 Fe - M n 合金简支梁的共振频率却在 43 45钢简支梁上三个测试点的加速度振幅随激振频率的
H z左右 ,两者共振频率的这个差异主要是由于材料本 变化曲线 。从中可以分析出如下几个方面的内容 :
身弹性模量和装夹情况有所不同造成的 。 首先 ,无论哪个测试点 , Fe2M n 阻尼合金的共振峰
图 4是激振输出电流为 250 mA 时 , Fe2M n合金与 高度都明显低于 45 钢 ,测点 1 降低了 67 % , 测点 2 降
45钢简支梁上三个测试点的加速度振幅随激振频率的 低了 48 % ,测点 3降低了 71 % 。结合图 1 ,可以看出测
变化曲线 。从中可以同样得出上述几方面的结果 , 但 试点离激 振 点越 远 , 共振 峰降 低 程度 越大 。 Fe2M n 阻
Fe2M n阻尼合金共振振幅和共振频率范围的降低程度 ε尼合金在周期应力的作用下 ,其内部的 马氏体片 、层
没有图 3中的大 。可见 ,当激振程度较小时 , Fe2M n 阻 错界 面 和 Shock ley 不 全 位 错 会 发 生 不 可 逆 的 往 复 运
尼合金的减振优势并不很明显 ,说明其适合应用在受 动 ,将振动能转化成为热能耗散掉 , 这是其具有阻尼减
较大力和冲击场合的减振降噪 。
图 3 激振输出电流为 450 mA 时 Fe2M n合金和 45钢简支梁的幅频特
性
图 4 激振输出电流为 250 mA 时 Fe2M n合金和 45钢简支梁的幅频特性
()下转第 86页
振 动 与 冲 击 2008年第 2786 卷
参 考 文 献
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Vo l. 27 No. 10 2008 JOURNAL O F V IBRA T ION AND SHOCK 193
ing p e rfo rm ance of the p a ra lle l nega tive2cap ac itance re sistance shun ted system is be tte r a t h igh frequenc ie s.
( )pp: 70 - 74 Key word s: p iezoe lec tric; nega tive cap ac itance; ene rgy d issip a tion fac to r; m echan ica l imp edance
LO NG I TUD I NAL RESPO NSE O F A POW ER TRA NSM I SS IO N
TOW ER2CA BL E SY STEM UND ER M UL T I2SUPPO RT EXC I TA T IO NS
QUAN W ei, L I H ong 2nan, YU E M ao2guang
( )Sta te Key L abo ra to ry of Coa sta l and O ffsho re Enginee ring, D a lian U n ive rsity of Techno logy, D a lian 116024, Ch ina
A b stra c t: B a sed on the mode l of a powe r tran sm ission towe r2cab le system e stab lished, the influence of sp a tia lly ground mo tion on the longitud ina l se ism ic re spon se of the system is stud ied u sing non linea r tim e h isto ry ana lysis. F irst, an a rtific ia l ea rthquake mo tion be ing comp a tib le w ith the code re spon se sp ec trum is gene ra ted u sing ha rmon ic wave sup e rim 2 po sing m e thod. Struc tu ra l se ism ic re spon se s a re comp a red unde r non2un ifo rm exc ita tion con side ring wave p a ssage effec t, incohe rence effec t and loca l site effec t. The re su lts ind ica te tha t wave p a ssage effec t is favo rab le fo r the in te rna l fo rce s of the towe r, and inc rea se s the cab le axis fo rce s, longitud ina l and ve rtica l d isp lacem en ts of the cab le s; incohe rence effec t is unfavo rab le fo r bo th the towe r and the cab le s; the b igge r the loca l site d iffe rence s among the towe r ba se s, the la rge r the de trim en ta l effec t. The refo re, the th ree fac to rs shou ld be p rop e rly con side red in the se ism ic re spon se ana lysis in o rde r to gua ran tee the safe ty of the towe r2cab le system.
Key word s: tran sm ission towe r2line system; se ism ic re spon se; wave p a ssage effec t; incohe rence effec t; loca l site
( )pp: 75 - 80 effec t
AM PL I TUD E2FREQUENCY C HA RAC TER I ST I C S O F FO RC ED V I BRA T IO N O F
A S IM PLY SUPPO RTED BEAM M AD E BY FE2M N D AM P I NG ALLOY 1, 2 2 2 1 2HUAN G S hu 2ke, L I N ing, W EN Yu 2hua, XU Yong 2gang, TEN G J in
( 1. Sta te Key L abo ra to ry of M echan ica l System and V ib ra tion, Shangha i J iao Tong U n ive rsity, Shangha i 200240, Ch ina;
)2. Schoo l of M anufac tu ring Sc ience and Enginee ring, Sichuan U n ive rsity, Chengdu 610065 , Ch ina
In o rde r to so lve p rob lem s tha t damp ing a lloy sp ec im en a re m uch sm a lle r and te sting m e thod s a re no t co2 A b stra c t:
inc iden t w ith p rac tica l app lica tion cond ition s, the amp litude2frequency fo rced re spon se cha rac te ristic s of simp ly suppo rted beam s m ade by Fe2M n damp ing a lloy and 45 stee l a re stud ied rep ec tive ly on a vib ra to ry tab le. The re su lts ind ica te tha t fo r fo rced vib ra tion, the damp ing behavio r of the Fe2M n a lloy beam show s its re sonance amp litude cou ld be reduced sign ifi2 can tly and the range of its re sonance frequency is app a ren tly na rrowe r than tha t of 45 stee l. The la rge r the exc iting fo rce, the be tte r the damp ing cap ac ity of the Fe2M n a lloy beam. In a wo rd, in enginee ring app lica tion, Fe2M n damp ing a lloy is su itab le fo r the environm en t whe re the re exist la rge r vib ra ting fo rce and shock.
Key word s: damp ing a lloy; damp ing cap ac ity; Fe2M n; simp ly suppo rted beam; fo rced vib ra tion; amp litude2fre2
( )quency cha rac te ristic s pp: 81 - 82 , 86
RO BUST SPEEC H END PO I NT D ETEC T IO N I N
A I RPL A NE CO C KP I T VO I C E BAC KGRO UND 1 2 1L E I M ing, L I X ue2ren, L I Guo
( 1. Co llege of Enginee ring, A ir Fo rce Enginee ring U n ive rsity, X iπan 710038 , Ch ina;
)2. Sc ien tific R e sea rch D ep a rtm en t, A ir Fo rce Enginee ring U n ive rsity, X iπan 710038 , Ch ina
It is ve ry impo rtan t to acc iden t cau se inve stiga tion on a w recked a irp lane tha t sp eech info rm a tion in a ir2 A b stra c t:
p lane cockp it vo ice background is effec tive ly extrac ted. The sp eech endpo in t de tec tion techn ique ba sed on a sta tistica l mode l is p ropo sed. O u tp u t p robab ility of sp eech / non2sp eech sta te is ca lcu la ted sequen tia lly u sing a Gau ssian m ixtu re mod2 e l, backwa rd e stim a tion and p a ra lle l non2linea r Ka lm an filte r a re u sed to e stim a te non2sta tiona ry no ise. A t la st, like lihood ca lcu la tion is u sed fo r sp eech / non2sp eech d isc rim ina tion. Comp a red w ith the typ ica l a lgo rithm s, th is a lgo rithm op e ra te s
范文三:Fe-Mn阻尼合金简支梁受迫振动时的幅频特性
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Fe-Mn阻尼合金简支梁受迫振动时的幅频特性
振动与冲击
第,,卷第,,期
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,,,,,阻尼合金简支梁受迫振动时的幅频特性
黄姝珂,
李宁,,
文玉华,,
胥永刚,,
滕劲,
,,
(,(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海,,,,,,;,(四川大学制造科学与丁程学院,成都,,,,,,)
摘
要:针对目前阻尼合金研究试样较小、测试方法和条件同实际应用环境相差较大的问题,采用,,—,,阻尼合
金和,,钢制作成同尺寸的简支梁,在振动台上进行激振实验,测试其在受迫振动条件下的幅频响应特性。有助于认识大尺寸,,———————————————————————————————————————
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,,合金构件在受迫振动条件下的阻尼减振行为,为进一步推动其在工程中应用奠定基础。实验结果表明:在受迫振动条件下(,,—,,阻尼合金梁的阻尼减振特性主要表现在大幅度降低共振时的振幅和明显减小产生共振的频率范围两方面,这在,程中具有很好的应片,前景;激振强度较大时,,,(,,阻尼合金梁展现出很好的阻尼减振性能,而激振较小时,阻尼减振性能不明显,说明其适用于受较大力和冲击场合下的减振。
关键词:阻尼合金;阻尼减振;,,(,,;简支梁;受迫振动;幅频特性中图分类号:,,,,,(,
文献标识码:,
随着现代工业的迅速发展,交通、能源、建筑、航天等领域对机器及其部件的要求也愈发苛刻,主要表现在高速重载条件下要求零部件保持高强度的同时,还能够具有低损耗和长寿命的特点。但是,机器及其零部件在运转过程中所产牛的振动,特别是共振,严重影响机构零部件的寿命,降低机械产品的质龟以及仪器仪表的精度和可靠性。为了解决这一日益突出的问题,阻尼合金应运而牛。阻尼合金具有普通金属材料的力学性能,能够满足现代机器构件的强度要求,又兼具较好的阻尼减振性能,用它制造的振动源构件可以在短时间内将振动振幅降低下来,不但能够减振提高构件的使用寿命及可靠性,还能有效地抑制噪声的产生。
根据阻尼机制的不同,阻尼合金主要可分为以下几类:铁磁型(,,—,,、,,—,,等)?、孪晶型(,,—,,、,,—,,、——————————————————————————————————————
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,,—,,—,,等)口,、复相型(灰铸铁、,,—,,)?,、位错型(,,—,,),。、以及,,—,,合金”,。其中,,—,,阻尼合金具有,大特点?,:第一,阻尼性能随应变振幅的增加而呈现近似线形增加,适用于受较大力和冲击的构件,比如刹车制动盘、齿轮和切割机等;第二,力学性能优良,抗拉强度大于,,,,,,,是前面几类阻尼合金中最高的;第二三,成本低,仅为,,—,,合金的,,,。所以,,,—,,阻尼合金具有很高的研究价值和广阔的应用前景。
目前对,,—,,合金的研究重点集中在材料本
身?,,主要包括化学成分、热处理工艺、阻尼机制等方面,方法基本都是采用自南衰减法,频率一般同定(大约,,,),并且研究的试样大都是直径为,,,左右的丝材。而实际中,机器构件的尺寸一般较大,并且应用条件大都是受迫振动,频率范围也很宽。所以,为了推动,,—,,合金在工程中的广泛应用,必须认识清楚用它制造的较大尺寸构件在受迫振动条件下的幅频特性,即揭示受迫振动时合金的阻尼减振特点。
本文分别采用,,(,,阻尼合金和,,钢制作成尺寸相同的简支粱,在振动台上对两者进行不同强度和不同频率的激振,研究了它们在受迫振动条件下的加速度振幅共振响应特性,实验结果对,,(,,阻尼合金的实际应用具有一定的指导作用。
,实验材料和方法
,,(,,合金化学成分为,,一,,(,,,,经过,,,,——————————————————————————————————————
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,,热处理,小时后水冷,然后机械加,,,,成简支梁,尺寸为
,,,×,,×,
,,。对比材料采用市售,,钢,机械加工
成同尺寸的梁。
简支梁振动实验尺寸示意图和实物图如图,和图,所示。激振信号采用正弦波,激振强度通过调节输出电流控制(,,
,,一,,,
,,),简支梁上设置三个加速
度传感器(,个测点),测量梁在受迫振动时不同位置的加速度响应。
基金项目:上海交通大学机械系统与振动围家重点实验室开放基金(,,,
一,,,,一,,)(新世纪优秀人才支持计划资助项目(,,,,一,,—,,,)(教育部科学技术研究重点项目(,,,,,,)
收稿日期:,,,,—,,—,,修改稿收到日期:,,,,—,,—,,第一作者黄姝珂男,博士,,,,,年生通讯作者李宁,教授,博导
图,简支梁受迫振动示意图
万方数据
,,
振动与冲击,,,,年第,,卷
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振性能的本质所在。在自由衰减条件下其阻尼行为表现为短时间内降低振动振幅?’,,,而在受迫振动条件下则表现为共振振幅明显降低。
其次,无论哪个测试点,,,(,,阻尼合金的共振频率范围都较,,钢明显变窄,测点,变窄了,,,,测点,变窄了,,,,测点,变窄了,,,。可见,,,—,,阻尼合金在受迫振动条件下阻尼行为的表现形式除了上述的共振振幅降低外,还有共振频率范围的减小。
再次,无论是,,,,,阻尼合金还是,,钢,离激振
图,简支梁受迫振动实物图
点越近的地方,共振振幅和共振频率范围就越大,而离激振点越远的地方,共振振幅和共振频率范围就越小。
最后,,,钢简支梁的共振频率在,,
,,一,,
,实验结果及讨论
图,是激振输出电流为,,,,,时,,,—,,合金与,,钢简支梁上三个测试点的加速度振幅随激振频率的变化曲线。从中可以分析出如下几个方面的内容:
首先,无论哪个测试点,,,—,,阻尼合金的共振峰高度都明显低于,,钢,测点,降低了,,,,测点,降低了,,,,测点,降低了,,,。结合图,,可以看出测试点离激振点越远,共振峰降低程度越大。,,—,,阻尼合金在周期应力的作用下,其内部的——————————————————————————————————————
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,马氏体片、层错界面和,,,,,,,,不全位错会发生不可逆的往复运动,将振动能转化成为热能耗散掉,这是其具有阻尼减
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,,,—,,阻尼台盒
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,,之
间,同尺寸的,,—,,合金简支梁的共振频率却在,,,,左右,两者共振频率的这个差异主要是由于材料本身弹性模量和装夹情况有所不同造成的。
图,是激振输出电流为,,,,,时,,,(,,合金与,,钢简支梁上三个测试点的加速度振幅随激振频率的变化曲线。从中可以同样得出上述几方面的结果,但,,(,,阻尼合金共振振幅和共振频率范围的降低程度没有图,中的大。可见,当激振程度较小时,,,—,,阻尼合金的减振优势并不很明显,说明其适合应用在受较大力和冲击场合的减振降噪。
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图,激振输出电流为,,,,,时,,,,,合金和,,钢简
支梁的幅频特性
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图,激振输出电流为,,,,,时,,—,,合金和,,钢简支梁的幅频特性
(下转)
万方数据
振动与冲击
参考文献
,,,,年第,,卷
,,,程道来,仪垂杰,姚红字,等(飞机舱音记录器声信息识别
方法的初步研究,,,(噪声与振动控制,,,,,,,,(,):,,,,,(
,,,围雁萌,付强,颜永红(复杂噪声环境中的语音端点检测
,,,(声学学报,,,,,,,,(,):,,,,,,,,(
,,,张徽强(带噪语音信号的端点检测和声韵分离,,,(长——————————————————————————————————————
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沙:
国防科技大学,,,,,,,(【,,,,,,,
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图,舱音背景声下的,,,曲线
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如图,所示,在舱音背景声环境下,本文提出的语音端点检测算法性能明显优于其它三种算法。此外,在本文提出的算法的对比实验——————————————————————————————————————
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中,可以看出,,,,时语音端点检测精度较,,,时精度略有提高。后向估计得应用对语音端点检测的精度提高有影响,,,,时相当于未使用后向估计。
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,结论
本文提出了针对舱音背景声下的鲁棒语音端点检测方法,该算法能在复杂的非平稳、强噪声环境中保持较好的精确性、自适应性和鲁棒性。下一步将研究在多说话人干扰情况下对目标语音的检测技术,为深入分析飞行事故原因提供更准确的语音资料。
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(上接)
,结论
,),,(,,阻尼合金制作的简支梁在受迫振动条件下,其阻尼减振性能主要表现为明显降低共振时的振幅,以及大幅度减小产生共振的频率范围,在工程应用中具有很广阔的应用前景。
,)在受迫振动条件下,激振力越大,,,—,,阻尼合金所展现的减振效果越明显,激振力越小,减振效果越差。
,)实际应用过程中,应充分了解,,?,,阻尼合金的减振特点,并且要对应用环境进行预先判断分析,要尽量将,,(,,阻尼合金应用在受较大振动场合上,充分发挥其阻尼减振优势。
参考文献
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,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,
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,,,黄姝珂,李
(,):,,—,,(
宁,文玉华,胥永刚。等(,,(,,,,,、;,—,,,朋、
,,(,,合金减振性能的研究,,,(振动与冲击,,,,,,,,,,,,,,,,
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万方数据
作者:
作者单位:黄姝珂, 李宁, 文玉华, 胥永刚, 滕劲, HUANG Shu-ke, LI Ning, WEN Yu-hua,XU Yong-gang, TENG Jin黄姝珂,HUANG Shu-ke(上海交通大学,机械系统与振动国家重点实验室,上海,200240;四川大
学,制造科学与工程学院,成都,610065), 李宁,文玉华,滕劲,LI Ning,WEN Yu-hua,TENG
Jin(四川大学,制造科学与工程学院,成都,610065), 胥永刚,XU Yong-gang(上海交通大学
,机械系统与振动国家重点实验室,上海,200240)
振动与冲击
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
2008,27(10)
1次刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
参考文献(7条)
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Yong-gang.QIU Shao-yu.ZOU Hong.LI Cong 稀土对Fe-17.5Mn合金阻尼
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3. 胥永刚.李宁.于学勇.沈保罗.邱绍宇.邹红.XU Yong-gang.LI Ning.YU Xue-yong.SHEN Bao-luo.QIU Shao-yu.ZOU Hong 环境温度及外磁场对Fe-13Cr-2.5Mo合金阻尼性能的影响[期刊论文]-材料工程2005(4)
4. 陈立群.吴哲民 一类平带驱动系统非线性振动的幅频特性[期刊论文]-工程力学2003,20(1)
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6. 罗丰华.陈嘉砚.刘浪飞.及川胜成.石田清仁.LUO
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Co41Ni33Al26合金冷轧带材相变与阻尼能力[期刊论文]-材料开发与应用2006,21(2)
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8. 杨天智.方勃.严海 微分求积法确定轴向运动梁参数共振的稳定性[会议论文]-2008
9. 陈立群.吴哲民.CHEN Li-qun.WU Zhe-min 受迫干摩擦阻尼振子的平均法分析[期刊论文]-商丘师范学院学报2002,18(2)
10. 陈立群 一类质量-黏弹性弹簧系统的简谐受迫振动[期刊论文]-力学与实践2001,23(5)
引证文献(1条)
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1.骆志高.陈保磊.庞朝利 金属塑料复合材料的减振性能模态试
验分析研究[期刊论文]-噪声与振动控制 2010(2)
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范文四:受迫振动的研究
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受迫振动的研究
2015大学生物理实验申优论文
姓名:xxx 学号:xxx
摘要:本实验借助伯尔共振仪,测量观察电磁阻尼对摆轮的振幅
与振动频率之间的影响,并以此求出阻尼系数δ。在此基础上,研究
了受迫振动,测定摆轮受迫振动的幅频特性和相频特性曲线。 共振,
受迫振动,阻尼振动,幅频特性,相频特性
Forced vibration
name
Abstract:This experimentuses a Boer resonance instrument to research on the resonance phenomenon and the forced vibration. By observing how electromagnetic damp can affect the amplitude and frequency of the balance wheel, this experiment manages to find out the coefficient of the three electromagnetic damps. Aside from this, the experiment also draw the Amplitude-frequency characteristic curveand the Phase-frequency characteristic curve to study the forced vibration phenomenon.
Key words:Resonance, Forced vibration,damped vibration,
Amplitude-frequency characteristic curve,Phase-frequency
characteristic curve
振动是自然界最常见的运动形式之一。由受迫振动而引起的共振
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现象在日常生活和工程技术中极为普遍,共振现象在许多领域有着广泛的应用。本实验是大学物理实验中学习受迫振动和共振现象的基础实验,实验方法简单科学,巧妙的利用视觉暂留现象简单方便的获取了相位差。本文基于一次完整的受迫振动实验通过作图对比等方法,得出电磁阻尼的阻尼系数δ和三个不同阻尼下的受迫振动幅频特性和相频特性,以此研究受迫振动的规律。
动力矩M,M0coswt。
根据转动定理,有
dq
,电动机偏心系统径卷簧的外夹持端提供的驱dt
d2?d?J2??k??b?M0cos?t (1) dtdt
式中,J为摆轮的转动惯量,M0为 驱动力矩的幅值,?为驱动力矩的角频率。令
实验原理
1.1 受迫振动
物体在周期性外力的持续作用下进行的振动
称为受迫振动。
本实验中采用珀耳共振仪。铜质圆形摆轮系统A做受迫振动时它受到三种力矩作用:蜗卷弹簧B提供的弹性力矩,kq,轴承、空气和电磁阻尼矩-b
作者:信息
???
——————————————————————————————————————
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kbM,2??,m?0 JJJ
则 (1) 式可写为:
d2?d?2
?2?????mcos?t (2) 02dtdt
式中?为阻尼系数,??为摆轮系统的固有频
率。在小阻尼条件下,该方程 (2) 的通解为:
???tae??cos(?at??)??bcos(?t???
此解为两项之和,表明摆轮的受迫振动包含两
个分振动,第一项为阻尼振动,随时间的推移而逐渐消失,它反映了受迫振动的暂态行为,与驱动力无关;第二项表示与驱动力频率相同且振幅为?b的周期振动。
可见,摆轮的受迫振动在开始时比较复杂,但经过不长的时间后,阻尼振动衰减到可以忽略不计,受迫振动达到稳定状态。这时,受迫振动变为简谐振动,有?
??bcos(?t??? (3)
振幅qb和初相位j(j即是受迫振动的角位移与驱动力矩之间的相位差)既与振动系统的性
质和阻尼情况有关,也与驱动力的频率w和力矩的幅度M0有关,而与振动的初始条件无关(初始条件只影响达到稳定状态所需的时间)。qb和j由下述两式决定:
qb=
(4)
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
j=arctan-2dw
w2
w
2
(5) 0-
1.2 共振
由极值条件
??b
???0可得出,当驱动力矩的角频率为mg=qE=qU
d时,受迫振动的振幅达到最
大值,产生共振。共振时的角频率?r、振幅?r和相位差?r分别为:
??r???2??
?r?
m2?2?2
(6)
?
2015大学生物理实验申优论文
??2
0????
r??
)
由上式可以看出,阻尼系数?越小,共振角频率?r越接近于系统——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
的固有频率?0,共振振幅?r也 越大,振动的角位移的相位滞后于驱动力矩的相位越接近于
?2
. 图2和图3给出了不同阻尼系数?条件下受迫振动系统的振幅的频率响应(幅频特性)曲线和相位差的频率响应(相频特性)曲线。
1.3 阻尼系数?的测量
(1) 由振动系统做阻尼振动时的振幅比值求阻尼系数?
摆轮A如果只受到蜗卷弹簧B提供的弹性力矩,kq,轴承、空气和电磁阻尼力矩-b
dq
dt
,振动系统做阻尼振动时,对应的振动方程和方程的解为:
d2?dt2?2?d?2
dt
??0??0 ???tae??cos(?at???
?a????2??
注意到阻尼振动的振幅随时间按指数律衰减,对相隔n个周期的两振幅之比取自然对数,则有:
?t
ln0??ln?ae?????t?nT)
?n?T (7) n?ae
实际测量中,可利用上式求出?值,其中n为阻尼振动的周期——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
数,?0为计时开始时振动的振幅,
?n为第n次振动时的振幅,T为阻尼振动的周期。
(2) 由受迫振动系统的幅频特性曲线求阻尼系数?(只适合于弱阻
尼??
????
?情况)
由幅频特性可以看出,弱阻尼??????
?情况
下,共振峰附近?
??1,???0???? ?
由式(4)和式(6)可得:
?2?2
2b??0??r(?2222?2?????2?0????4?0???
(13)
当??r
b?
?
时,由上式可解得:
???0???
在幅频特性曲线上可直接读出?r
b?
??
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
处对
应的两个横坐标
???和??
?,从而可得 ??
??????2? (8)
1.4 仪器测量原理
(1)摆轮振动周期和振幅的测量
光电门H中装有上下两个光电管,摆轮每经过一次平衡位置(对应于摆轮上的长凹槽c经过光电门H)时下光电管的计数状态,同时可以出发闪光灯。
摆轮上的长凹槽C第一次经过下光电管时,产生的光电脉冲控制周期计时器开始计时,半个周期后凹槽C第二次经过下光电门时产生的光电脉冲不影响周期计时器的工作,但将上一次周期显示值清零。凹槽C第三次经过下光电管时正好时过了一个周期的时间,产生的光电脉冲使计时器停止计时,并立即在周期显示屏上显示振动周期值。
摆轮振动的振幅是由光电门Hz 红的上光电管采样的,摆轮的周边上均匀刻有180个矩形小齿,小齿平均占角为2?。摆轮振动时小齿在上光电管及其光源间通过,每经过一个小齿,摆轮转过2?,上光电管便产生一个光电脉冲,对光电脉冲计数后便能测知振幅。
(2)驱动力矩周期的测量
电机驱动转盘F每转一周,转盘上的指针挡光
片使光电门1产生两个光电脉冲,(两脉冲之间的 ——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
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间隔是半个周期),当周期显示开关扳向“强迫力”时,该控制脉冲才能对控制电路产生作用。测量驱动力矩周期的原理与测摆轮振动周期相同。
(3)相位差??的测量
要测量出振动系统的相频特性,必须在稳定受
迫振动下测量出摆轮振动的角位移与驱动力矩之
间的相位差?. 共振仪的机电系统使得仪器实现了在稳定振动的状态下,摆轮上的长凹槽经过光电门的时刻,转盘上的指针所指的角度即为相位差?,但共振仪工作时转盘旋转很快,实验者难以读出此时刻的?值。因此采用频闪法实现对相位差?的测
量。
仪器配置了一个闪光灯,闪光信号受光电门的控制,每当摆轮上的长凹槽经过光电门时,下光电管产生的光电脉冲可以触发闪光灯。借助于闪光瞬间,转盘上的强反光指针被照亮,由于人眼的视觉暂留作用,光指针所在处的角度值就可以方便地读出。该显示读数的方法称为频闪法。共振仪在受迫振动达到稳定后,闪光频率是转盘旋转频率的两倍,这与转盘的同一直径上的两个光指针相匹配,所以在闪光灯照射下,看起来光指针会好像一直停留在同一位置上显示?值。
2、实验仪器——玻耳共振仪简介
本实验使用的玻耳共振仪由共振仪和控制仪两部分组成,并用电缆互联。共振仪部分的结构如下图所示:
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
图1玻耳共振仪的共振仪部分
1. 光电门;2. 长凹槽;3. 短凹槽;4. 铜质摆轮;5. 摇杆; 6. 蜗卷弹簧;7. 支承架;8. 阻尼线;9. 连杆;10. 摇杆调
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节螺丝;11. 光电门;12. 角度盘;13. 有机玻璃转盘;14. 底座;15. 外端夹持螺钉
振动系统由铜质圆形摆轮A与弹簧B构成,弹簧的一端固定在机架支柱上,另一端与摆轮轴相联,在弹簧弹性力作用下,摆轮可绕轴自由往复振动。外激励是由转速十分稳定的可调电机的偏心轴通过连杆E和摆杆M加到振动系统上。当电机匀速转动时,可看作是一种简谐激励。若改变电机转速,就相当于改变激励的周期。电磁阻尼由阻尼线圈K产生,调节线圈电流可以改变电磁铁气隙中磁场,以达到改变阻尼力矩的作用。角度读数盘G上方处也装有光电门,与控制电路相连接,可以用来测量强迫力矩的周期。
机玻璃转盘F的指针放在角度盘“0”处,此时摆轮上的长槽C应在光电门H的中央。用手摆轮波导角位移较大处(140?,160?),然后放手,此时摆轮做近似零阻尼的自由振动,观察和记录振幅值和响应的摆动周期(振幅值每变化10?左右记录一组数据),做??,??0的关系曲线,供作幅频特性曲线和相频特性曲线时查用。
3.1.2 实验结果及分析
测量所得的实验数据如下表所示:
表1 自由振动时摆轮振幅?与振动频率?0的对应关系 ——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
共振仪部分的结构如下图所示:
图2玻耳共振仪的控制仪前面板
左边是振幅显示窗,显示三位数字的摆轮振幅;右边时间显示窗,显示5位数字振动周期,精度为-3
10s。“摆轮、强迫力”和“周期选择”开关,分别用来测量摆轮强迫力矩的1次或者10次周期所需的时间。电机转速调节旋钮用来改变强迫力周期,它是通过精确改变电机转速来达到,其精度仅供参考。阻尼选择开关用来改变阻尼线圈直流电位的大小,实验时选何档量程位置根据实际情况而定,“5”阻尼最大,“0”最小,一般避免置于“0”位置。电机开关用来控制电机转动,当测量阻尼系数和摆轮固有频率?与振幅关系时,电机开关处于断状态。
3. 实验内容、结果和讨论
3.1 测量自由振动时摆轮振幅?与振动频率
?0的对应关系
3.1.1 实验内容
切断电机电源,阻尼选择开关打向“0”位置,有
3.2 测量摆轮受迫振动的幅频特性和相频特性曲线,并求阻尼系数?
3.2.1 实验内容
(1) 将系统返回“实验步骤”菜单,选中“强迫振荡”,确认。系统进入受迫振动待测状态,打开电机,摆轮作受迫振动。
(2) 等待摆轮周期与电机周期基本一致,选中周期,将计时由一——————————————————————————————————————
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个周期变为十个周期,以提高测量精度。选中测量,系统进入受迫振动自动测量状态。 (3) 待自动测量结束,记录相关数据。再按住闪光灯按钮,利用视觉暂留,从电机度盘上测量记录相位差。
(4) 选中周期,将计时由十个周期退回一个周期,以便观察。微调强迫力周期电位器,改变电机转速,重复(2)~(4)过程。测出另一组数据。 (5) 反复重复(2)~(4)过程,直到测出完整的幅频曲线和相频曲线。
3.2.2 实验结果及分析
(1) 测量所得的实验数据及相关处理如下表所示:
表2 受迫振动时的幅频与相频特性实验数据
(2) 根据表中数据,利用excel绘制受迫振动系统的
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幅频和相频特性曲线如下图所示:
图3 受迫振动系统的幅频特性曲线
图4受迫振动系统的相频特性曲线
由绘制的幅频特性曲线知qmax,152.9,则
=108.12?
从图中可知w-w=0.9876
w+
w=1.0126 0
d(1.0126-0.9876)2p
2=
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
2′
T
=0.0498 3.3 测定阻尼振动的振幅比值,并求阻尼系数?
3.3.1 实验内容
(1) 将系统返回“实验步骤”菜单,选中“阻尼振荡”,确认。系统进入“阻尼选择”菜单,选中“阻尼1”,确认。系统进入阻尼振动(阻尼1)待测状态。
(2) 用手将摆轮拨转接近半圈(接近180度),松手,摆轮作自由振动,紧接着按键,使系统进入自动测量状态。待自动测量结束后,查询记录数据。
3.3.2 实验结果及分析
对原始数据进行处理,如下表所示:
表3 阻尼振动时的振幅比值的数据处理表
?10T=15.757s ?T=1.5757s ??1=ln(?i/?i+5)/5T=0.432/(5×
1.5757)=0.0548 S-1
相对误差:
d1-d2
d=9.12% 1
d1-d2
d=10.04% 2
3.4 实验结果误差分析
对本实验结果影响较大的误差,主要来自固有频率?o的确定。——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
实验原理部分认为弹性系数k为常数,它与扭转角度无关。但是实际上由于制造工艺及材料性能的影响,k会随角度改变略有微小变化,因而造成在不同振幅时系统的固有频率?0有变化。
另外,本实验中存在着较多操作中的偶然误差,典型的几个是:在等待摆轮与电机的周期接近时过于急躁,读数尚未稳定就进行测量;实验中在频闪法测相位差时读数存在误差。偶然误差是实验中常见的误差,除非在测量过程中或者读数时发生较大错误,一般不会对实验结果造成太大影响。
此外,本实验中虽然测定了自由振动时摆轮振幅?与振动频率?0的对应关系,但测量的振幅?范
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围仅在61~159之间,在作幅频与相频特性曲线时,振幅?不在该范围内的值都取了近似,这也会带来一定误差。
4. 总结
本实验用玻耳共振仪定量测定了阻尼振动的振幅比值,绘制了受迫振动的幅频特性和相频特性曲线,并分析了阻尼对振动的影响以及受迫振动的幅频特性和相频特性。实验结果真实可靠。实验由两种方法测得了阻尼系数?,两者之间的误差较小,误差的主要来源是实验仪器。
实验中利用频闪法测定相位差,这是本实验的一大精妙之处。利用频闪法还可以测量其他的动态物理量。
通过这些对实验数据处理方法的数学分析,我们可以得到以下一——————————————————————————————————————
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些结论:
1. 特性曲线拟合法使用了所有实验点,但使用的偏离峰值的点越多,就意味着??0差异越大,系统误差也就越大(如果也像峰值法那样取共振峰附近点进行拟合则也能有效减小误差(
2. 从实际实验结果来看,这两类方法理论上都可以采用(但是特性曲线拟合法需要计算机辅助处理,较为复杂。
3. 减小误差的根本方法应该是提高仪器制作水平,实验室中有些仪器的??0变化很小,说明技术上是可以实现的(只要??0在实际实验中也可以认为固定不变,则所有近似问题将不复存在(
参考文献:
[1]钱峰 潘人培,《大学物理实验》,高等教育
出版社,2005年 P77-80 P241-246
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范文五:音叉的受迫振动
音叉的受迫振动与共振
(实验预习报告)
【实验目的】
1.研究音叉振动系统在驱动力作用下振幅与驱动力频率的关系,测量并绘制它们的关系曲线,求出共振频率和振动系统振动的锐度。
2.通过对音叉双臂振动与对称双臂质量关系的测量,研究音叉共振频率与附在音叉双臂一定位置上相同物块质量的关系。
3.通过测量共振频率的方法,测量附在音叉上的一对物块的未知质量。
4.在音叉增加阻尼力情况下,测量音叉共振频率及锐度,并与阻尼力小情况进行对比。 【实验仪器】
FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪(包括主机和音叉振动装置)、加载质量块(成对)、阻尼片、电子天平(共用)、示波器(选做用) 【实验装置及实验原理】 一.实验装置及工作简述
FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪主要由电磁激振驱动线圈、音叉、电磁线圈传感器、支座、低频信号发生器、交流数字电压表(0~1.999V)等部件组成(图1所示)
1.低频信号输出接口2.输出幅度调节钮3.频率调节钮4.频率微调钮5.电压输入接口6.电源开关7.信号发生器频率显示窗8.数字电压表显示窗9.电压输出接口10.示波器接口Y11.示波器接口X12.低频信号输入接口13.电磁激振驱动线圈14.电磁探测线圈传感器15.质量块16.音叉17.底座18.支架19. 固定螺丝
图1 FD-VR-A型受迫振动与共振实验仪装置图
在音叉的两双臂外侧两端对称地放置两个激振线圈,其中一端激振线圈在由低频信号发生器供给的正弦交变电流作用下产生交变磁场激振音叉,使之产生正弦振动。当线圈中的电流最大时,吸力最大;电流为零时磁场消失,吸力为零,音叉被释放,因此音叉产生的振动频率与激振线圈中的电流有关。频率越高,磁场交变越快,音叉振动的频率越大;反之则小。另一端线圈因为变化的磁场产生感应电流,输出到交流数字电压表中。因为I=dB/dt,而dB/dt取决于音叉振动中的速度v,速度越快,磁场变化越快,产生电流越大,电压表显示的数值越大,即电压值和速度振幅成正比,因此可用电压表的示数代替速度振幅。由此可知,将探测线圈产生的电信号输入
交流数字电压表,可研究音叉受迫振动系统在周期外力作用下振幅与驱动力频率的关系及其锐度,以及在增加音叉阻尼力的情况下,振幅与驱动力频率的关系及其锐度。 二.实验原理 1.简谐振动与阻尼振动
许多振动系统如弹簧振子的振动、单摆的振动、扭摆的振动等,在振幅较小而且在空气阻尼可以忽视的情况下,都可作简谐振动处理。即此类振动满足 简谐振动方程
d2x2
??x?0 (1) 02dt
(1)式的解为
x?Acos(?0t??) (2)
对弹簧振子振动圆频率?0?
K
,K为弹簧劲度系数,m为振子的质量,m0为弹簧
m?m0
的等效质量。弹簧振子的周期T满足
4?2
T?(m?m0) (3)
K
2
但实际的振动系统存在各种阻尼因素,因此(1)式左边须增加阻尼项。在小阻尼情况下,阻尼与速度成正比,表示为2?
dx
,则相应的阻尼振动方程为 dt
d2xdx2
?2???x?0 (4) 02
dtdt
式中?为阻尼系数。 2.受迫振动与共振
阻尼振动的振幅随时间会衰减,最后会停止振动。为了使振动持续下去,外界必须给系统一个周期变化的驱动力。一般采用的是随时间作正弦函数或余弦函数变化的驱动力,在驱动力作用下,振动系统的运动满足下列方程
d2xdxF2
?2???x?cos?t (5) 02
dtm'dt
(5)式中,m'=m+m0为振动系统的质量,F为驱动力的振幅,?为驱动力的圆频率。
公式(5)为振动系统作受迫振动的方程,它的解包括两项,第一项为瞬态振动,由于阻尼存在,振动开始后振幅不断衰减,最后较快地为零;而后一项为稳态振动的解,其为
x?Acos(?t??)
F
式中 A?
'
?
20
??
22
。
2
2
?4??
??02?2?2??0
当驱动力的圆频率 时,振幅A出现极大值,此时称为共振。显然?越小,x~ω关系曲线的极值越大。描述这种曲线陡峭程度的物理量称为锐度,其值等于品质因素
Q?
?0?2??1
?
f0
f2?f1
12
倍
其中,f0表示共振频率,f1、f2表示半功率点的频率,也就是对应振幅为振幅最大值的的频率。
3.可调频率音叉的振动周期
一个可调频率音叉一旦起振,它将某一基频振动而无谐频振动。音叉的二臂是对称的以至二臂的振动是完全反向的,从而在任一瞬间对中心杆都有等值反向的作用力。中心杆的净受力为零而不振动,从而紧紧握住它是不会引起振动衰减的。同样的道理音叉的两臂不能同向运动,因为同向运动将对中心杆产生震荡力,这个力将使振动很快衰减掉。
可以通过将相同质量的物块对称地加在两臂上来减小音叉的基频(音叉两臂所载的物块必须对称)。对于这种加载的音叉的振动周期T由下式给出,与(3)式相似
T2=B(m+m0) (6)
其中B为常数,它依赖于音叉材料的力学性质、大小及形状,m0为每个振动臂的有效质量有关的常数。利用(6)式可以制成各种音叉传感器,如液体密度传感器、液位传感器等,通过测量音叉的共振频率可求得音叉管内液体密度或液位高度。这类音叉传感器在石油、化工工业等领域进行实时测量和监控中发挥着重要作用。 【实验内容】 一.必做实验
1. 仪器接线用屏蔽导线把低频信号发生器输出端与激振线圈的信号(电压)输入端相接;用另一根屏蔽线将电磁激振线圈的信号(电压)输出端与交流数字电压表的输入端连接。 2. 接通电子仪器的电源,将输出幅度调节钮2逆时针调到最小,使仪器预热15分钟。 3. 测定共振频率f0和振幅Ar。
在音叉臂空载,空气阻尼很小的情况下,将低频信号发生器的输出信号频率调节钮3由低到高缓慢调节(参考值约为250Hz左右),仔细观察交流数字电压表的读数,当交流电压表读数达最大值时,记录音叉共振时的频率f0和共振时交流电压表的读数Ar。 4. 测量共振频率f0两边的数据。
在信号发生器输出幅度保持不变的情况下,频率由低到高,测量数字电压表示值A与驱动力的频率fi之间的关系。注意:应在共振频率附近,通过调节频率微调钮4多测几个点。总共须测20~26个数据,记录在表1中。
5. 在音叉一臂上(近激振线圈)用小磁钢将一块阻尼片吸在臂上,用电磁力驱动音叉。在增加空气阻尼的情况下,按照步骤3、4测量音叉的共振频率,记录音叉振动频率fi与交流电压表的读数A,填在表2中。
6. 在电子天平上称出(5对)不同质量块的质量值,记录在表3中。
7. 将不同质量块分别加到音叉双臂指定的位置上,并用螺丝旋紧。测出音叉双臂对称加相同质量物块时,相对应的共振频率。记录f0~m关系数据于表3中。
8. 用一对未知质量的物块mx替代已知质量物块,测出音叉的共振频率fx,求出未知质量的物块mx。 二.选做实验:
用示波器观测激振线圈的输入信号和电磁线圈传感器的输出信号,测量它们的相位关系。 【数据记录及处理】
1.共振频率f0和振幅Ar的关系
(1). 在音叉臂空载,空气阻尼很小的情况下,记录音叉振动的频率fi与交流电压表的读数
A,数据记录在表1中
表1 空气阻尼很小时频率
fi和振幅A的关系
(2).根据表1的数据绘制A~fi关系曲线,测出共振频率,求出两个半功率点f2和f1,计算音叉的锐度(Q值)
(3). 在音叉臂上加薄片,增加空气阻尼时,记录音叉振动的频率fi与交流电压表的读数
A,数据记录在表2中,绘制A~fi关系曲线,测出共振频率,计算音叉的锐度(Q值),并
与阻尼小的情况(表1)进行比较说明。
表2 阻尼较大时频率
fi和振幅A的关系
2.音叉的共振频率与双臂质量的关系
(1).将逐次加载的质量块m与音叉的共振频率fi记录在表3.
表3 共振频率
fi与双臂质量m的关系
(2).根据表3的数据绘制T~m关系曲线图,求出直线斜率B和在m轴上的截距0。 (3).用音叉共振法测物块质量
测得共振频率f0Z,利用T2~m关系曲线测得未知物块质量mx。 【注意事项】
1.本实验所绘制的曲线是在驱动力力幅恒定的条件下进行的。所以当低频信号发生器的输出电压一经确定之后。在整个实验过程中都要保持这个电压不变,而且要及时核对调节。 2.注意信号源的输出不要短路,以防止烧坏仪器。
3.请勿随意用工具将固定螺丝拧松,以避免电磁线圈引线断裂。
4.传感器部位是敏感部位,外面有保护罩防护,使用者不可以将保护罩拆去,或用工具伸入保护罩,以免损坏电磁线圈传感器及引线。
5.适当调节幅度调节钮,使信号发生器输出电压不宜过大,避免共振时因输出振幅过大而超出数字电压表量程,或造成音叉响度过大,给人耳带来不适。 【思考与讨论】
1.在测量振动频率与振幅间关系的过程中,为什么低频信号发生器输出幅度要保持不变? 2.从实验所绘制的共振曲线来看,在驱动力力幅不变的情况下。欲降低振动系统的共振幅度应采取什么措施?有何实际价值?
3.举例说明共振现象在实际生活中的应用。
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