本發(fā)明屬于物理教學(xué)用具領(lǐng)域，尤其涉及一種簡(jiǎn)支梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示，屬于教學(xué)實(shí)驗(yàn)用具。

背景技術(shù)：

在物理教學(xué)過(guò)程中，一般采用彈簧振子的模型對(duì)單自由度物體的振動(dòng)進(jìn)行演示。對(duì)于無(wú)限自由度物體的振動(dòng)，一般通過(guò)簡(jiǎn)支梁或懸臂梁進(jìn)行演示。

無(wú)限自由度物體振動(dòng)過(guò)程中，其固有頻率和主振型是描述振動(dòng)的兩個(gè)重要參數(shù)，其只與結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)有關(guān)，反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的固有屬性。所謂主振型就是振動(dòng)體上各點(diǎn)在同一時(shí)刻的振動(dòng)位移比，其各階主振型對(duì)應(yīng)其各階固有頻率。從理論上來(lái)說(shuō)，無(wú)限多自由度物體具有無(wú)限多個(gè)固有頻率和對(duì)應(yīng)的主振型，而無(wú)限多自由度物體的任何振動(dòng)，都可以通過(guò)無(wú)窮多個(gè)主振型的疊加來(lái)表達(dá)。而實(shí)際中，往往只考慮前幾階振型，因?yàn)榍皫纂A振型在疊加中影響最大，后面的多階振型影響較小在實(shí)際中往往不考慮。

如果對(duì)梁體的外界激振力頻率正好等于梁體的某階固有頻率，梁體會(huì)參生共振，其振動(dòng)的振動(dòng)形態(tài)接近其對(duì)應(yīng)的主振型。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中往往通過(guò)在梁體發(fā)生共振時(shí)，對(duì)激振力的激振頻率進(jìn)行讀取來(lái)得到梁體的固有頻率，通過(guò)對(duì)共振時(shí)梁體各測(cè)點(diǎn)的位移進(jìn)行測(cè)量，從而得到其對(duì)應(yīng)主振型。

由于簡(jiǎn)支梁在振動(dòng)過(guò)程中，各點(diǎn)振幅較小且振動(dòng)過(guò)程中速度較快，很難直觀的對(duì)各階振型進(jìn)行觀察。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)中，往往通過(guò)應(yīng)變傳感器對(duì)各點(diǎn)的位移進(jìn)行記錄，將記錄數(shù)據(jù)在坐標(biāo)上繪制成對(duì)應(yīng)主振型圖形，從而方便觀察，而這種觀察方式由于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了中間處理缺少直觀性。本發(fā)明中，通過(guò)將簡(jiǎn)支梁的位移振幅放大，方便對(duì)各階振型進(jìn)行直觀觀察從而加深對(duì)無(wú)限自由度物體振動(dòng)的理解，同時(shí)，通過(guò)對(duì)各種振動(dòng)下梁體振動(dòng)形態(tài)的對(duì)比，便于教學(xué)中對(duì)模態(tài)疊加的講解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種簡(jiǎn)支梁實(shí)驗(yàn)演示儀，其通過(guò)放大簡(jiǎn)支梁的位移振動(dòng)，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)簡(jiǎn)支梁的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行演示。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種簡(jiǎn)支梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示儀，包括實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)置于實(shí)驗(yàn)箱中的梁體，梁體兩端設(shè)置支座，支座對(duì)梁體進(jìn)行簡(jiǎn)支固定，梁體側(cè)面設(shè)置有實(shí)驗(yàn)箱底板，梁體上表面設(shè)置有激振器，激振器通過(guò)自身振動(dòng)向梁體提供振動(dòng)激振力。梁體在激振力作用下，在實(shí)驗(yàn)箱底板所在平面內(nèi)上下振動(dòng)。

所述實(shí)驗(yàn)箱底板上固定有多根位移顯示槽，顯示槽為設(shè)置在底板內(nèi)的矩形槽體，槽體內(nèi)設(shè)置有鐵砂粉，梁體側(cè)面固定有多塊突出的凸齒，位移顯示槽的位置與梁體凸齒位置相對(duì)應(yīng)，梁體凸齒大小與顯示槽內(nèi)徑相匹配，凸齒插入位移顯示槽內(nèi)。

在物體振動(dòng)過(guò)程中，振動(dòng)物體在回復(fù)力為零的位置被稱為初始位置，梁體在無(wú)外界激振時(shí)靜止時(shí)所處位置被即為平衡位置，位移顯示槽所對(duì)應(yīng)的平衡位置設(shè)置有電磁線圈，電磁線圈通電后帶有磁性，將位移顯示槽內(nèi)的鐵砂粉向平衡位置吸引。

作為優(yōu)選，所述梁體為Q235鋼板制作，梁體截面為矩形結(jié)構(gòu)，所述梁體凸齒為輕質(zhì)塑料材料。將梁體凸齒減輕，減少了其不規(guī)則突出對(duì)梁體振型的影響。

作為優(yōu)選，每根梁體上方至少設(shè)置有一個(gè)激振器，激振器在梁體上的設(shè)置位置可調(diào)節(jié)。箱體外設(shè)置控制器對(duì)激振器的振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

作為優(yōu)選，所述梁體凸齒沿梁體軸向均勻分布，每根梁體上至少設(shè)置有七塊凸齒。

作為優(yōu)選，鐵砂粉中加入彩色顏料，便于對(duì)鐵砂粉的移動(dòng)進(jìn)行觀察。

作為優(yōu)選，所述試驗(yàn)箱中設(shè)置有多個(gè)梁體，通過(guò)多個(gè)梁體的同時(shí)振動(dòng)，對(duì)其振型進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)，通過(guò)梁體在多個(gè)激勵(lì)的下響應(yīng)對(duì)模態(tài)疊加的原理進(jìn)行演示。

作為優(yōu)選，所述實(shí)驗(yàn)箱的箱底部設(shè)置有四個(gè)調(diào)平螺絲，調(diào)平螺絲分布在實(shí)驗(yàn)箱底部四角，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲保持實(shí)驗(yàn)室箱在實(shí)驗(yàn)中的水平。

作為優(yōu)選，所述實(shí)驗(yàn)箱箱蓋上設(shè)置有反光鏡，反光鏡對(duì)底板的振動(dòng)圖像進(jìn)行反射，通過(guò)反光鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)箱底板上的梁體振動(dòng)進(jìn)行觀察，方便教學(xué)中的演示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于平衡位置電磁線圈的吸引，當(dāng)梁靜止時(shí)，鐵砂粉聚集在平衡位置，當(dāng)梁體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)梁體側(cè)面的凸齒同時(shí)運(yùn)動(dòng)，凸齒在位移顯示槽中將平衡位置的鐵砂粉向運(yùn)動(dòng)方向彈出，振幅最大位置處的梁體凸齒將鐵砂粉彈離平衡位置最遠(yuǎn)，因此位移顯示槽中的鐵砂粉將梁體的振動(dòng)位移放大顯示，使實(shí)驗(yàn)中能清晰的觀察出梁體各位置的振動(dòng)位移。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)保持實(shí)驗(yàn)箱體的水平放置，保持實(shí)驗(yàn)箱底板上各位移顯示槽的水平，以減少重力對(duì)鐵砂粉運(yùn)動(dòng)的影響。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)將梁體上的激振器取出，及時(shí)蓋合實(shí)驗(yàn)箱箱蓋，通過(guò)箱蓋將位移顯示槽蓋合，以防止位移顯示槽中的鐵砂粉灑出。

當(dāng)激振器的激振頻率等于梁體的某階固有頻率時(shí)，梁體會(huì)參生共振，而梁體的第一階固有頻率最低，隨著固有頻率階數(shù)的提高，其頻率頻數(shù)逐步提升。因此，當(dāng)緩慢提高激振器的激振頻率時(shí)，將可以看到梁體從第一階主振型向二階三階主振型的變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明通過(guò)梁體振動(dòng)對(duì)無(wú)限自由度下物體的振動(dòng)進(jìn)行演示，便于對(duì)無(wú)限多自由度物體振動(dòng)進(jìn)行教學(xué)。

2)本發(fā)明中通過(guò)設(shè)置位移顯示槽，將梁體在激振力作用下的位移進(jìn)行放大，從而在教學(xué)中能直觀的對(duì)梁體的主振型進(jìn)行觀察。

3)本發(fā)明通過(guò)對(duì)激振力的頻率進(jìn)行控制，隨著激振力振動(dòng)頻率的緩慢提高，梁體反應(yīng)出多階振型，通過(guò)觀察多階振型的變化，在教學(xué)中更利于對(duì)各階振型的區(qū)別聯(lián)系進(jìn)行理解。

4)本發(fā)明對(duì)多階振型進(jìn)行演示，通過(guò)多種振型的對(duì)比，加深了對(duì)模態(tài)疊加法的理解。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明圖1中A-A截面的示意圖；

圖3是本發(fā)明圖1中B部分放大示意圖；

圖4是本發(fā)明圖2中C部分放大示意圖；

圖5是本發(fā)明中梁體振動(dòng)一階主振型和二階主振型振動(dòng)示意圖。

附圖標(biāo)記如下：

1實(shí)驗(yàn)箱，2箱蓋，3底板，4梁體，5激振器，6支座，7位移顯示槽，8凸齒，9鐵砂粉。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明。

實(shí)施例一：

本發(fā)明中提供一種簡(jiǎn)支梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示儀，包括實(shí)驗(yàn)箱1，實(shí)驗(yàn)箱箱蓋2，設(shè)置于實(shí)驗(yàn)箱1中的梁體4，梁體4兩端通過(guò)支座6進(jìn)行簡(jiǎn)支，梁體4側(cè)面設(shè)置有實(shí)驗(yàn)箱底板3，梁體4上表面設(shè)置有激振器5體，激振器5體通過(guò)自身振動(dòng)向梁體4提供振動(dòng)激振力，梁體4在激振力作用下，在實(shí)驗(yàn)箱底板3所在平面內(nèi)上下振動(dòng)。

梁體4側(cè)面設(shè)置有多塊凸齒8，實(shí)驗(yàn)箱底板3上固定有多根位移顯示槽7，位移顯示槽7為設(shè)置在被板內(nèi)的矩形槽體，槽體內(nèi)設(shè)置有鐵砂粉9，位移顯示槽7的位置與梁體4凸齒8位置相對(duì)應(yīng)，梁體4凸齒8插入位移顯示槽7內(nèi)。

作為優(yōu)選，所述梁體4為Q235鋼板制作，梁體4截面為矩形結(jié)構(gòu)，所述梁體凸齒8為輕質(zhì)塑料材料。將梁體凸齒8減輕，減少了其不規(guī)則突出對(duì)梁體4振型的影響。

作為優(yōu)選，每根梁體4上方設(shè)置有一個(gè)激振器5，激振器5在梁體4上的設(shè)置位置可調(diào)節(jié)。箱體外設(shè)置控制器對(duì)激振器5的振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

作為優(yōu)選，所述梁體4凸齒8沿梁體4軸向均勻分布，一條梁體4上設(shè)置有七塊凸齒8。

作為優(yōu)選，梁體4靜止時(shí)所處位置被稱為平衡位置，位移顯示槽7所對(duì)應(yīng)的平衡位置設(shè)置有電磁線圈，電磁線圈通電后將位移顯示槽7內(nèi)的鐵砂粉9向平衡位置吸引。

作為優(yōu)選，鐵砂粉9中加入彩色顏料，便于對(duì)其進(jìn)行觀察。

作為優(yōu)選，所述試驗(yàn)箱中設(shè)置有一個(gè)梁體4，通過(guò)改變激振器5的振動(dòng)頻率，使梁體4產(chǎn)生共振，通過(guò)對(duì)共振時(shí)振動(dòng)形態(tài)的觀察，理解梁體4的前幾階振型。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，啟動(dòng)激振器5，將激振器5的振動(dòng)頻率逐步緩慢增大，當(dāng)激振器5的頻率達(dá)到梁體4的第一階固有頻率時(shí)，梁體4中心點(diǎn)的振幅達(dá)到峰值，此時(shí)梁體4的振動(dòng)形態(tài)為第一階振型；再逐步提高激振器5的振動(dòng)頻率，當(dāng)其振動(dòng)頻率達(dá)到第二階固有頻率時(shí)，梁體4軸向四分鐘一長(zhǎng)度位置點(diǎn)和四分鐘三長(zhǎng)度位置點(diǎn)的振幅達(dá)到峰值，此時(shí)梁體4的振動(dòng)形態(tài)為第二階振型。梁體4在振動(dòng)過(guò)程中，梁體4凸齒8將位移顯示槽7中的鐵砂粉9向振動(dòng)方向彈開(kāi)，從而通過(guò)鐵砂所彈開(kāi)的距離可對(duì)其振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀察。梁體4一階和二階振動(dòng)形態(tài)如圖5所示。

實(shí)施例二：

本發(fā)明中提供一種簡(jiǎn)支梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示儀，包括實(shí)驗(yàn)箱1，設(shè)置于實(shí)驗(yàn)箱1中的梁體4，梁體4兩端通過(guò)支座6進(jìn)行簡(jiǎn)支，梁體4側(cè)面設(shè)置有實(shí)驗(yàn)箱1底板3，梁體4上表面設(shè)置有激振器5體，激振器5體通過(guò)自身振動(dòng)向梁體4提供振動(dòng)激振力，梁體4在激振力作用下，在實(shí)驗(yàn)箱1底板3所在平面內(nèi)上下振動(dòng)。

梁體4側(cè)面設(shè)置有多塊凸齒8，實(shí)驗(yàn)箱1底板3上分固定有多根位移顯示槽7，顯示槽為設(shè)置在被板內(nèi)的矩形槽體，槽體內(nèi)設(shè)置有鐵砂粉9，位移顯示槽7位置與梁體4凸齒8位置相對(duì)應(yīng)，梁體4凸齒8插入位移顯示槽7內(nèi)。

作為優(yōu)選，所述梁體4為Q235鋼板制作，梁體4截面為矩形結(jié)構(gòu)，所述梁體凸齒8為輕質(zhì)塑料材料。將梁體凸齒8減輕，減少了其不規(guī)則突出對(duì)梁體4振型的影響。

作為優(yōu)選，所述梁體凸齒8沿梁體4軸向均勻分布，一條梁體4上設(shè)置有九塊凸齒8。

作為優(yōu)選，梁體4靜止時(shí)所處位置被稱為平衡位置，位移顯示槽7所對(duì)應(yīng)的平衡位置設(shè)置有電磁線圈，電磁線圈通電后將位移顯示槽7內(nèi)的鐵砂粉9向平衡位置吸引。

作為優(yōu)選，鐵砂粉9中加入彩色顏料，便于對(duì)其進(jìn)行觀察。

作為優(yōu)選，所述實(shí)驗(yàn)箱1中設(shè)置有三個(gè)梁體4，三個(gè)梁體4的同時(shí)振動(dòng)，通過(guò)疊加荷載下對(duì)梁體4振動(dòng)形式的觀察，提高對(duì)模態(tài)疊加的理解。

理論上，簡(jiǎn)支梁梁體的任何振動(dòng)，都可以通過(guò)無(wú)窮多個(gè)主振型的疊加來(lái)表達(dá)。而實(shí)際中，由于前幾階振型在疊加中影響最大，后面的多階振型影響較小，因此，往往通過(guò)前幾階模體的疊加對(duì)梁體的振動(dòng)進(jìn)行表述。本實(shí)施例中通過(guò)三個(gè)簡(jiǎn)支梁的振動(dòng)進(jìn)行演示，來(lái)解釋模體疊加的原理。

實(shí)驗(yàn)箱中設(shè)置有三個(gè)簡(jiǎn)支梁梁體，三個(gè)簡(jiǎn)支梁梁體的長(zhǎng)度及截面相同，調(diào)整第一個(gè)梁體上方激振器的振動(dòng)頻率達(dá)到第一階固有頻率，使第一個(gè)梁體的振動(dòng)形態(tài)接近第一階主振型；調(diào)整第二個(gè)梁體上方激振器的振動(dòng)頻率達(dá)到第二階固有頻率，使第二個(gè)梁體的振動(dòng)形態(tài)接近第二階主振型；第一個(gè)梁體和第二個(gè)梁體上的激振器處于梁體上的不同位置。對(duì)應(yīng)第一第二梁體的激振器設(shè)置位置，在第三個(gè)梁體上設(shè)置兩個(gè)激振器，兩個(gè)激振器的設(shè)置位置分別和第一個(gè)梁體和第二個(gè)梁體上的激振器位置相同，同時(shí)，其對(duì)應(yīng)位置激振器的振動(dòng)頻率為第一階固有頻率和第二階固有頻率，此時(shí)第三個(gè)梁體的振動(dòng)形態(tài)便接近第一個(gè)梁體和第二個(gè)梁體振動(dòng)形態(tài)的疊加。通過(guò)對(duì)三個(gè)梁體振動(dòng)形態(tài)的觀察，更有利于對(duì)模體疊加的理解。

本發(fā)明通過(guò)梁體振動(dòng)對(duì)無(wú)限自由度下物體的振動(dòng)進(jìn)行演示，便于對(duì)無(wú)限多自由度物體振動(dòng)進(jìn)行教學(xué)。本發(fā)明中通過(guò)設(shè)置位移顯示槽，將梁體在激振力作用下的位移進(jìn)行放大，從而在教學(xué)中能直觀的對(duì)梁體的主振型進(jìn)行觀察。本發(fā)明通過(guò)對(duì)激振力的頻率進(jìn)行控制，隨著激振力振動(dòng)頻率的緩慢提高，梁體反應(yīng)出多階振型，通過(guò)觀察多階振型的在教學(xué)中更利于對(duì)各階振型的區(qū)別聯(lián)系進(jìn)行理解。本發(fā)明對(duì)多階振型進(jìn)行演示，通過(guò)多種振型的對(duì)比，加深了對(duì)模態(tài)疊加法的理解。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。