实验02 波尔共振实验
因受迫振动而导致的共振现象具有相当的重要性和普遍性。在声学、光学、电学、原子核物理及各种工程技术领域中，都会遇到各种各样的共振现象。共振现象既有破坏作用，也有许多实用价值。许多仪器和装置的原理也基于各种各样的共振现象，如超声发生器、无线电接收机、交流电的频率计等。在微观科学研究中共振现象也是一种重要的研究手段，例如利用核磁共振和顺磁共振研究物质结构等。
表征受迫振动的性质是受迫振动的振幅频率特性和相位频率特性（简称幅频和相频特性）。本实验中，用波尔共振仪定量测定机械受迫振动的幅频特性和相频特性，并利用频闪方法来测定动态物理量——相位差。
【实验目的】
1． 研究波尔共振仪中弹性摆轮受迫振动的幅频特性和相频特性。 2． 研究不同阻尼力矩对受迫振动的影响，观察共振现象。 3． 学习用频闪法测定运动物体的某些量，例相位差。
【仪器用具】
ZKY-BG波尔共振实验仪
【实验原理】
物体在周期外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动，这种周期性的外力称为强迫力。如果外力是按简谐振动规律变化，那么稳定状态时的受迫振动也是简谐振动，此时，振幅保持恒定，振幅的大小与强迫力的频率和原振动系统无阻尼时的固有振动频率以及阻尼系数有关。在受迫振动状态下，系统除了受到强迫力的作用外，同时还受到回复力和阻尼力的作用。所以在稳定状态时物体的位移、速度变化与强迫力变化不是同相位的，存在一个相位差。当强迫力频率与系统的固有频率相同时产生共振，此时速度振幅最大，相位差为90°。
实验采用摆轮在弹性力矩作用下自由摆动，在电磁阻尼力矩作用下作受迫振动来研究受迫振动特性，可直观地显示机械振动中的一些物理现象。
当摆轮受到周期性强迫外力矩M?M0cos?t的作用，并在有空气阻尼和电磁阻尼的媒质中运动时（阻尼力矩为?bd?）其运动方程为 dtd2?d?J2??k??b?M0cos?t （1）
dtdt式中，J为摆轮的转动惯量，?k?为弹性力矩，M0为强迫力矩的幅值，?为强迫力
令 ?0?2的圆频率。
mkb，2??，m?0 JJJ则式（1）变为
d2?d?2?2?????mcos?t （2） 02dtdt当mcos?t?0时，式（2）即为阻尼振动方程。
当??0，即在无阻尼情况时式（2）变为简谐振动方程，系统的固有频率为?0。方程
（2）的通解为
???1e??tcos(?ft??)??2cos(?t??0) （3）
由式（3）可见，受迫振动可分成两部分：
第一部分，?1e??tcos(?ft??)，表示减幅振动部分，其中?f??02??2，和初始
条件有关，经过一定时间后衰减消失。
第二部分，说明强迫力矩对摆轮作功，向振动体传送能量，最后达到一个稳定的振动状态。振幅为
?2?m(?0??)?4???122222 （4）
它与强迫力矩之间的相位差为
??tg?2???0??22?tg?1??T0T2?(T?T0)22 （5）
由式（4）和式（5）可看出，振幅?2与相位差?的数值取决于强迫力矩m、频率?、系统的固有频率?0和阻尼系数?四个因素，而与振动初始状态无关。
由
???2[(?0??2)2?4?2?2]?0（或2?0）极值条件可得出，当强迫力的圆频率????2???0?2?2时，产生共振，?2有极大值。若共振时圆频率和振幅分别用?r、?r表示，
则
?r??0?2?2 （6）
m2??0?2?222?r? （7）
式（6）、（7）表明，阻尼系数?越小，共振时圆频率越接近于系统固有频率，振幅?r也越大。图1和图2表示出在不同?时受迫振动的幅频特性和相频特性。
图 1 幅频特性 图2 相频特性
【仪器介绍】
ZKY-BG型波尔共振仪由振动仪与电器控制箱两部分组成。振动仪部分如图3所示，铜质圆形摆轮A安装在机架上，弹簧B的一端与摆轮A的轴相联，另一端可固定在机架支柱上，
图3 波尔振动仪
1.光电门H；2.长凹槽C；3.短凹槽D；4.铜质摆轮A；5.摇杆M；6.蜗卷弹簧B；7.支承架；8.阻尼线圈K；9.连杆E；10.摇杆调节螺丝；11.光电门I；12.角度盘G；13.有机玻璃转盘F；14.底座；15.弹簧夹持螺钉L；16.闪光灯
在弹簧弹性力的作用下，摆轮可绕轴自由往复摆动。在摆轮的外围有一卷槽型缺口，其中一个长形凹槽C比其它凹槽长出许多。机架上对准长型缺口处有一个光电门H，它与电器控制箱相联接，用来测量摆轮的振幅角度值和摆轮的振动周期。在机架下方有一对带有铁芯的线圈K，摆轮A恰巧嵌在铁芯的空隙，当线圈中通过直流电流后，摆轮受到一个电磁阻尼力的作用。改变电流的大小即可使阻尼大小相应变化。为使摆轮A作受迫振动，在电动机轴上装有偏心轮，通过连杆机构E带动摆轮，在电动机轴上装有带刻线的有机玻璃转盘F，它随电机一起转动。由它可以从角度读数盘G读出相位差Φ。调节控制箱上的十圈电机转速调节旋钮，可以精确改变加于电机上的电压，使电机的转速在实验范围（30-45转/分）内连续可调，由于电路中采用特殊稳速装置、电动机采用惯性很小的带有测速发电机的特种电机，所
0
以转速极为稳定。电机的有机玻璃转盘F上装有两个挡光片。在角度读数盘G中央上方90处也有光电门I（强迫力矩信号），并与控制箱相连，以测量强迫力矩的周期。
受迫振动时摆轮与外力矩的相位差是利用小型闪光灯来测量的。闪光灯受摆轮信号光电门控制，每当摆轮上长型凹槽C通过平衡位置时，光电门H接受光，引起闪光，这一现象称为频闪现象。在稳定情况时，由闪光灯照射下可以看到有机玻璃指针F好象一直“停在”某
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一刻度处，所以此数值可方便地直接读出，误差不大于2 。闪光灯放置位置如图3所示搁置在底座上，切勿拿在手中直接照射刻度盘。
摆轮振幅是利用光电门H测出摆轮读数A处圈上凹型缺口个数，并在控制箱液晶显示器
0
上直接显示出此值，精度为1。
7 1 2 3 4
6 5 图4 波尔共振仪前面板示意图
1、液晶显示屏幕 2、方向控制键 3、确认按键 4、复位按键 5、电源开关 6、闪光灯开关 7、强迫力周期调节电位器
图5 波尔共振仪后面板示意图
1、电源插座（带保险） 2、闪光灯接口 3、阻尼线圈 4、电机接口 5、振幅输入 6、周期输入 7、通讯接口
波耳共振仪电器控制箱的前面板和后面板分别如图4锁定开关 和图5所示。
电机转速调节旋钮，系带有刻度的十圈电位器，调节此×1档 旋钮时可以精确改变电机转速，即改变强迫力矩的周期。锁定开关处于图6的位置时，电位器刻度锁定，要调节大小须将其置于该位置的另一边。×0.1档旋转一圈，×1档走一
×0.1档 个字。一般调节刻度仅供实验时作参考，以便大致确定强迫力矩周期值在多圈电位器上的相应位置。
可以通过软件控制阻尼线圈内直流电流的大小，达到改图6 电机转速调节电位器 变摆轮系统的阻尼系数的目的。阻尼档位的选择通过软件控制，共分3档，分别是“阻尼1”、“阻尼2”、“阻尼3”。阻尼电流由恒流源提供，实验时根据不同情况进行选择（可先选择在“阻尼2”处，若共振时振幅太小则可改用“阻尼1” ），振幅在150°左右。
闪光灯开关用来控制闪光与否，当按住闪光按钮、摆轮长缺口通过平衡位置时便产生闪光，由于频闪现象，可从相位差读盘上看到刻度线似乎静止不动的读数（实际有机玻璃F上的刻度线一直在匀速转动），从而读出相位差数值。为使闪光灯管不易损坏，采用按钮开关，仅在测量相位差时才按下按钮。
电器控制箱与闪光灯和波尔共振仪之间通过各种专业电缆相连接。不会产生接线错误之弊病。
【实验内容与要求】
1．实验准备
按下电源开关后,屏幕上出现欢迎界面，其中NO.0000X为电器控制箱与电脑主机相连的编号。过几秒钟后屏幕上显示如图一“按键说明”字样。符号“?”为向左移动；“?”为向右移动；“?”为向上移动；“?”向下移动。下文中的符号不再重新介绍。
2．选择实验方式：根据是否连接电脑选择联网模式或单机模式。这两种方式下的操作完全相同。
3．自由振荡——摆轮振幅?与系统固有周期T0的对应值的测量
自由振荡实验的目的，是为了测量摆轮的振幅?与系统固有振动周期T0的关系。 在图一状态按确认键,显示图二所示的实验类型,默认选中项为自由振荡,字体反白为选中。再按确认键显示:如图三
? ? → 选择项目 ?? → 改变工作状态 确定 → 功能项确定 图一yi 周期 Ⅹ1 = 01.442 秒(摆轮) 阻尼0 振幅 134 测量查01 ↑↓按确定键返回 图四 按键说明 实验步骤 自由振荡 阻尼振荡 强迫振荡 图二 周期 Ⅹ1 = 秒(摆轮) 阻尼 0 振幅 测量关00 回查 返回 图三 10 周期Ⅹ = 秒（摆轮） 0 阻尼2 振幅 测量关00 回查 返回 图六 阻尼选择 阻尼1 阻尼2 阻尼3 图五 用手转动摆轮160°左右，放开手后按“?”或“?”键,测量状态由“关”变为“开”,
控制箱开始记录实验数据, 振幅的有效数值范围为：160°～ 50°(振幅小于160°测量开，小于50°测量自动关闭)。测量显示关时,此时数据已保存并发送主机。
查询实验数据,可按“?”或“?”键,选中回查,再按确认键如图四所示，表示第一次记录的振幅θ0 = 134°，对应的周期T = 1.442秒，然后按“?”或“?”键查看所有记录的数据, 该数据为每次测量振幅相对应的周期数值,回查完毕,按确认键,返回到图三状态。此法可作出振幅?与T0的对应表。该对应表将在稍后的“幅频特性和相频特性”数据处理过程中使用。
若进行多次测量可重复操作,自由振荡完成后,选中返回,按确认键回到前面图二进行其它实验。
表1 振幅?与T0关系
固有周期振幅? 4．测定阻尼系数β
在图二状态下, 根据实验要求,按“?”键,选中阻尼振荡, 按确认键显示阻尼:如图五。阻尼分三个档次,阻尼1最小,根据自己实验要求选择阻尼档,例如选择阻尼2档, 按确认键
固有周期振幅? 固有周期振幅? 固有周期振幅? T0（s） T0（s） T0（s） T0（s）