固有頻率測量演示器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種固有頻率測量演示器，屬于教學用具。
【背景技術】
[0002]任何物體都具有固有頻率，由它的材質、結構、大小、性狀等因素來決定，固有頻率是物體自身固有的一種物理特征。當物體受到某一特定頻率策動時，能夠引起振動并使幅度達到最大值，這個頻率就是物體的固有頻率。可是，如何見證物體具有固有頻率？至今，在教學中尚沒有市售儀器以供演示，因而感到質疑和困惑，因此，有必要發明一種固有頻率演示器，填補教學空白，以便學生能夠從感性上得到認知。
[0003]固有頻率在生產實踐中具有廣泛的應用價值，比如靠近鐵路的建筑物，當有列車通過時，就會將其振動通過地面傳遞給建筑物，如果振動頻率恰好與建筑物的固有頻率相同，這個建筑物就會產生共振，幅度也會越來越大至使建筑物損壞。在大劇院、禮堂都會使用擴音設備，如果建筑物或其室內的一些設備的固有頻率，恰好與擴音音響的某一頻率相同，也會產生共振，這種共振的聲波再次傳至麥克風，就會形成正反饋而引起刺耳的嘯叫。固有頻率特性在工業上得到廣泛的應用，尤其在電子技術領域，比如:晶體管、電感線圈、高頻電容等元器件，從家用電器感受最為明顯。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種充實教學設備，加深學生感性認識，填補教學空白的固有頻率測量演示器。
[0005]技術解決方案:
本發明包括:底板、音頻信號發生器、分貝計、揚聲器，所述底板上固定安裝有玻璃容器，所述玻璃容器為圓筒形，圓筒形玻璃容壁上分別設有刻度尺和水量基準線，所述玻璃容器下部設有進水口，進水口通過注水管路與儲水槽出水口連接，儲水槽通過管路與水泵連接；所述注水管上設有分流口，分流口上接有分注管；玻璃容器上方設有揚聲器，揚聲器與音頻信號發生器連接，靠近揚聲器的玻璃容器上設有分貝計，所述音頻信號發生器與電源連接。
[0006]所述玻璃容器上的進水口及儲水槽上的出水口分別安裝有截止閥，分注管上安裝微調閥。
[0007]所述分貝計掛于玻璃容器上部。
[0008]所述揚聲器放置在支架上，所述支架包括:呈三角形設置的立柱，及固定安裝在立柱頂部的托板，所述托板上開有放置揚聲器的通孔，所述通孔與所述玻璃容器開口相對應，通孔處設有墊片。
[0009]本發明注水采用了從玻璃容器下部注入的方法，避免了從上部注水產生的水面震蕩現象，圓筒形玻璃容壁上分別設有刻度尺和水量基準線，采用音頻信號發生器、分貝計、揚聲器，通過注水改變容器的有效測量體積，從而使固有頻率發生變化。本發明信號發生器用于追蹤被測物的固有頻率，分貝計用于比較檢測共振與否響度的變化，實現了在教學中進行測量演示物體的固有頻率；諧振最小激勵強度，以及體積的大小與固有頻率之間的關系O
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明結構示意圖；
圖2為圖1的俯視圖；
圖3為本發明測量高度與固有頻率之間關系圖；
圖4為本發明體積減小與固有頻率增加關系圖。
【具體實施方式】
[0011]本發明底板I上分別固定安裝有圓筒形透明玻璃容器2，放置揚聲器4的支架、放置儲水槽12的儲水槽架13，所述玻璃容器2與儲水槽12分別置于揚聲器的支架的兩側，所述支架由呈三角形(兩個平行設置立柱6、單個立柱7)設置的立柱組成，立柱頂部固定安裝有托板3,托板3置于玻璃容器2上方,托板3上開有放置揚聲器4的通孔,為防止揚聲器4晃動，在通孔處設有墊片，所述通孔與所述玻璃容器2開口相對應，揚聲器與音頻信號發生器連接，所述音頻信號發生器與電源連接，分貝計4通過掛架設置在靠近揚聲器的玻璃容器I上，為便于觀察和掌握注水量，所述圓筒形玻璃容器2側壁上分別設有刻度尺和水量基準線，玻璃容器2下部設有進水口，進水口通過注水管路10與儲水槽12出水口連接，儲水槽12內的水通過水泵注入玻璃容器2內，注水管上設有分流口 5，分流口 5上接有分注管8，玻璃容器2下部設的進水口、儲水槽12出水管分別安裝有截止閥11，分注管8上安裝微調水閥9用于調節水量。
[0012]所述透明玻璃空器2是被測物，內徑15厘米，有效測量高度20-30厘米，截面積176 平方厘米，有效測量體積從 3534.2m3,3887.6 m3、4241.0 m3、4594.5 m3、4948.0 m3至5301.4 m3。
[0013]本發明選用圓筒形玻璃容器2作為被測物，利用音頻信號發生器作為激勵聲源，去追蹤固有頻率，當激勵聲源與被測物的固有頻率相同時，就會激發被測物產生脅迫振動，這樣，激勵聲與被測物的諧振聲二者疊加響聲明顯增大，產生共鳴，此時，信號發生器顯示的頻率，即為該物體的固有頻率。此后，回調激勵聲源幅度至“O”位，再緩慢調高，在某一點上會出現聲音突然放大，這個點位就是諧振的最小激勵強度。如果改變激勵聲的頻率或改變被測物的體積、形狀條件，破壞掉諧振的要件，也就是激勵聲源與被測物的固有頻率不相同，不產生諧振，共鳴聲消失，響聲減小，從而證實物體具有固有頻率。本儀器還利用向器皿內依次注水的方法，改變玻璃容器2內水的有效被測體積，再分別測量找出一組體積不同的諧振點(固有頻率)，根據這一組測得的數據，就可以分析出體積與固有頻率之間的關系。
[0014]具體測試方法和步驟:
1、準備:打開音頻信號發生器預熱5分鐘，將“頻率調整”按鈕至于低位，“幅度”按鈕調至O位；打開分貝計4 (調整在正常和快速測量位)并放在分貝計掛架上；將儲水槽12中加入2公斤水。
[0015]2、測試固有頻率步驟如下:打開玻璃容器2下部進水口及儲水槽12出水管上的截止閥11及水泵，將儲水槽12內的水通過水泵向玻璃容器2內注水至基準線5301.4m3，并利用注水管路10上的分流管上的微調水閥9修正誤差。逐漸調大頻信號發生器的“幅度”按鈕，使調大頻信號發生器振幅逐步增大，設定輸出電壓為3伏，緩慢調高頻信號發生器的“頻率調整”按鈕，同時隨時感受玻璃容器2內水聲的變化(諧振點響度增大)，同時觀察分貝計4數字的變化(諧振點數字增大)，若激勵聲源足夠大就能從分貝計4數字變化點處找到諧振點；找到諧振點之后，調低或調高音頻信號發生器頻率，移離諧振點，響度如果減小，就說明諧振點準確，反之不準確。
[0016]或在找到諧振點之后，移開揚聲器，如果諧振點準確，則響度會明顯減小。如果諧振點不準確，則響度無明顯變化，通過此步驟進一步進行確定諧振點。準確的諧振點就是該玻璃容器2的固有頻率。
[0017]3、測試最小激勵功率步驟如下:在確定了諧振點之后，音頻信號發生器的“頻率調整”按鈕保持原位不動，回調音頻信號發生器“幅度”按鈕至最低位，然后再緩慢調高，當達到最小激勵功率時，玻璃容器2內水聲瞬間增大，分貝計4上的數值同進增大，此時的臨界點電壓，就是諧振的最小激勵功率。
[0018]4、測試體積與固有頻率之間的關系方法如下:向玻璃容器2內注水，根據玻璃容器2上刻度，水位提高I厘米，相當于玻璃容器2的有效測量高度減少I厘米，其體積也相應的減小176.7cm3，用測試固有頻率的方法找到并記錄一個諧振點，按上述方法依次進行，就會得到一組不同體積的固有頻率數據，根據這一組數據，就可以做表、做圖，清楚明了的分析出體積與固有頻率之間的關系。
[0019]測試條件及結果
1、條件。內蒙古中部區，海拔1100米，氣溫在21°C時，使用RK1212BL型音頻信號發生器和TM81M型分貝測試計。
[0020]2、測試結果如下表:
固有頻率測試表
根據上表，被測物玻璃容器2的測量高度與固有頻率之間關系，制作坐標如圖1:
根據測量結果計算:體積減小與固有頻率升高之間的百分比制成坐標如圖2。
[0021]分析和結論
根據上表和圖3-4中的數據分析，得出以下結論:第一，據分貝計4測得的結果，諧振與不諧振時的響度差在20分貝上下，證實物體具有固有頻率。
[0022]第二，按測試測試最小激勵功率方法，測得激勵電壓在1.28伏以下不產生諧振，高于1.28伏才產生諧振，說明諧振必須有足夠的激勵強度，本實驗最小激勵功率為0.20瓦。
[0023]第三測試按體積的大小與固有頻率方法，得到體積的大小與固有頻率之間的關系:將表中最大測量體積5301.4立方厘米與最小測量體積3710.7立方厘米進行比較，體積減小了 1590.7立方厘米，而固有頻率升高為315 - 247 = 68赫茲，證實體積減小而固有頻率升高。
[0024]第四，從圖3坐標可看出:測量高度與固有頻率之間關系是:高度逐漸減小而固有頻率逐漸增高。從圖4坐標可看出:測量體積與固有頻率的百分比之間變化關系是:體積每減少一個數量級，而固有頻率相應的升高一個數量級，斜率基本上成線性。
【主權項】
1.固有頻率測量演示器，其特征在于，包括:底板、音頻信號發生器、分貝計、揚聲器，所述底板上固定安裝有玻璃容器，所述玻璃容器為圓筒形，圓筒形玻璃容壁上分別設有刻度尺和水量基準線，所述玻璃容器下部設有進水口，進水口通過注水管路與儲水槽出水口連接，儲水槽通過管路與水泵連接；所述注水管上設有分流口，分流口上接有分注管；玻璃容器上方設有揚聲器，揚聲器與音頻信號發生器連接，靠近揚聲器的玻璃容器上設有分貝計，所述音頻信號發生器與電源連接。
2.根據權利要求1所述的固有頻率測量演示器，其特征在于，所述玻璃容器上的進水口及儲水槽上的出水口分別安裝有截止閥，分注管上安裝有微調水閥。
3.根據權利要求1所述的固有頻率測量演示器，其特征在于，所述分貝計掛于玻璃容器上部。
4.根據權利要求1所述的固有頻率測量演示器，其特征在于，所述揚聲器放置在支架上，所述支架包括:呈三角形設置的立柱，及固定安裝在立柱頂部的托板，所述托板上開有放置揚聲器的通孔，所述通孔與所述玻璃容器開口相對應，通孔處設有墊片。
【專利摘要】本發明涉及一種固有頻率測量演示器，屬于教學用具。本發明底板上固定安裝有玻璃容器，所述玻璃容器為圓筒形，圓筒形玻璃容壁上分別設有刻度尺和水量基準線，所述玻璃容器下部設有進水口，進水口通過注水管路與儲水槽出水口連接，儲水槽通過管路與水泵連接；所述注水管上設有分流口，分流口上接有分注管；玻璃容器上方設有揚聲器，揚聲器與音頻信號發生器連接，靠近揚聲器的玻璃容器上設有分貝計，所述音頻信號發生器與電源連接。本發明注水采用了從玻璃容器下部注入的方法，避免了從上部注水產生的水面震蕩現象，通過注水改變容器的有效測量體積，從而使固有頻率發生變化。本發明實現了在教學中進行測量演示物體的固有頻率；諧振最小激勵強度，以及體積的大小與固有頻率之間的關系。
【IPC分類】G09B23-14
【公開號】CN104680896
【申請號】CN201510108368
【發明人】鄔博宇
【申請人】鄔博宇
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月12日