Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции

(9) В 23/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ И при- расстей нова- орах(56) Авторское свидетельство СССРВ 1536428, кл, 6 09 В 23/06, 1988.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАИ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ КОРУКЦИИ(57) Изобретение относится к учебнымборам по механике. Цель изобретения -ширение дидактических возможноустройства. Устройство содержит осние 1, опоры 2 и 3, установленную на оп балку 4, оптический квантовый генератор 5, блок 6 модуляции., коллиматор 7, блок 8 регистрации, фотоприемник 9, коллиматор 10, интерференциальный фильтр 11, блок 12 формирования управляющих импульсов, усилители 13, 22 и 28, магнитоэлектрические преобразователи 14, толкатель 15, диффузор 16, электрооптический модулятор 17, модулятор 18, генератор 19 поднесущей частоты, фотоэлектронный умножитель 20, блок 21 питания, амплитудный детектор 23, активный фильтр 24, блок 25 преобразования в прямоугольные 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.Изобретение относится к учебным приборам по механике и является усовершенствованием устройства по авт. св, В 1536428.Известное устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции содержит основание с опорами для установки конструкции, источник механических колебаний, блок регистрации, оптический квантовый генератор, фотоприемник и блок формирования управляющих импульсов, при этом источник механических колебаний выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя с усилителем для взаимодействия с конструкцией, причем квантовый генератор оптически связан с фотоприемником, выходы которого подключены к входу блока формирования управляющих импульсов и к первому входу блока регистрации, второй и третий входы которого связаны соответственно с первым и вторым выходами блока формирования управляющих импульсов, второй выход которого также подключен к усилителю магнитоэлектрического преобразователя, соединенному с четвертым входом блока регистрации. При этом блок формирования управляющих импульсов содержит последовательно включенные амплитудный детектор, перестраиваемый фильтр, усилитель-ограничитель, генератор электрических сигналов, причем вход амплитудного детектора является входом блока формирования импульсов, причем выход амплитудного детектора является первым выходом блока формирования импульсов, а выход генератора электрических сигналов является вторым выходом блока формирования импульсов.Недостатком известного устройства являются его ограниченные дидактические возможности, так как оно не позволяет демонстрировать явление принудительной синхронизации (захватывания),Целью изобретения является расширение дидактических возможностей устройства за счет демонстрации явления принудительной синхронизации.В известное устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции введены дополнительный источник механических колебаний, выполненный в виде магнитоэлектрического преобразователя с толкателем для взаимодействия с конструкцией, дополнительный усилитель, генератор импульсов, узел временного сдвига и переключатель, вход которого подключен к выходу усилителя, а выход соединен с входом узла временного сдвига, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу магнитоэлектрического преобразователя дополнительного источника механических колебаний и четвертому входу, блока регистрации, пятый и шестой входы которого соединены соответ ственно с первым выходом дополнительного усилителя и генератора импульсов, второй выход которого соединен с выходом дополнительного усилителя, второй выход которого подключен к выходу магнитоэлек трического преобразователя дополнительного источника механических колебаний, причем источники механических колебаний установлены на стойке с возможностью перемещения относительно конструкции.15 Эти новые существенные признаки в совокупности с существенными признаками известного устройства позволяют в автоколебательном режиме воздействия на конструкцию первого источника механических 20 колебаний (когда устройство работает какавтоколебательная система) при включении дополнительного источника колебаний демонстрировать явление принудительной синхронизации, которое заключается в том, 25 что при достаточно малой разности междучастотой автоколебательной системы и частотой воздействия дополнительного источника колебаний устойчивое периодическое движение конструкции приобретает частоту 30 воздействия дополнительного источникаколебаний. Кроме того обеспечивается демонстрация развития колебаний конструкции в автоколебательном режиме воздействия в соседние пучности колеблю щейся конструкции, при этом, когда с помощью резьбовой стойки, гаек и контргаек устанавливаются источники механических колебаний определенным образом (области воздействия источников находятся на рас стоянии половины длины волны колеблющейся конструкции) и устанавливают автоколебательный режим воздействия двух источников механических колебаний, сдвигая на т = Т/2 с помощью устройства 45 временного сдвига сигнал на входе второгоисточника механических колебаний по сравнению с сигналами на входе первого источника механических колебаний (г - время задержки, Т - период колебаний конструк ции), убеждаются в том, что существенносокращается время переходного процесса в сравнении с случаем, когда происходит воздействие одного источника, и, что количество импульсов от двух источников меньше в 55 этом случае до достижения установившегося режима, чем в случае воздействия одного источника.Рассмотрим возникновение резонансных колебаний на одной из собственныхчастот в режиме вынужденных колебаний.Зависимость от времени перемещения некоторой области поверхности конструкции,находящейся в зоне действия вынуждающего воздействия со стороны магнитоэлектрического преобразователя может бытьнайдена из известного дифференциальногоуравнения вынужденных колебаний. Еслисила трения пропорциональна скорости перемещения, то уравнение имеет вид: 10,и - +2 В,и - +ивгв=1(т), (1)СУв бвбтгде,и - масса единицы поверхности конструкции; 152 ф - коэффициент затухания;в - собственная частота;1 (с) - закон изменения вынуждающеговоздействия во времени,Решение (1) имеет известный видг)в (с) = - ,Г езп в (т - т) 1 (т) б 1 (2)двоРгде т - момент действия источника видад (т-с).Формула (2) позволяет исследовать колебания при произвольной зависимости отвремени вынуждающей силы.В этом случае, когда колебания происходят под действием внешней силы в видеп импульсов, следующих с периодом Т, возбуждающее воздействие записывается следующим образом:"0 при КТ +г т(1+ 1) Т(с) = (3)1 при МТт1 Т+т, 35где 1=0,1,.(п - 1);т- длительность импульса.Подставляя (3) в (2) получают40 х зп в(т - с) бт, (4) Интегрируя (4), учитывая, что трение ма ло фи), и суммируя получившийся пригэтом ряд, получают в случае совпадения собственной частоты и частоты вынуждающего воздействия Т =Т;50Т2 зпв 2 .1 ц.Гв- " х(5) 55Если вынуждающие импульсы от магнитоэлектрического преобразователя следуют в два раза чаще резонансной последовательности Т =Т/2, из (5) получают1 Х2 зПв 2 1+,- 1 пАав(с) -(6)Из формулы (6) следует, что в данномслучае увеличения амплитуды колебаний непроисходит, так как импульсы через одинпопадают в противофазу с колебаниями поверхности конструкции и гасят их. Однако,если возбуждающие импульсы поочередноменяют знак, т.е.Г ( - 1)" при к -тЕ - + т;1 (с) =2 2(7)0 при остальных т,вместо формулы (6) получается выражение,совпадающее с (5) при й = - , т, е. примене 12ние возбуждающего воздействи магнитоэлектрического преобразователя вида (7)эквивалентно уменьшению декремента затухания в два раза, что значительно сокращаетвремя "раскачки" (переходный период)конструкции. Реализовать нагружение вида(7) в предлагаемом устройстве позволяетвоздействие двух источников механическихколебаний.На фиг, 1 представлено устройство длядемонстрации и исследования колебанийконструкции, общий вид; на фиг. 2 - блокмодуляции излучения; на фиг. 3 - фотоприемник; на фиг. 4 - блок формирования управляющих импульсов; на фиг. 5-8 - схемавоздействия на конструкцию.Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции содержитоснование 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) снабжен оптической системой для подвода излучения кповерхности конструкции 4, включающейблок 6 модуляции и, например, коллиматор7. Кроме того, устройство содержит подключенный к блоку 8 регистрации (например,многоканальный осциллограф типа Н),фотоприемник 9 и оптическую систему подвода отраженного от конструкции 4 излучения генератора 5 к фотоприемнику 9,включающую коллиматор 10 и интерференциальный фильтр 11, настроенныйна длину волны излучения генератора 5. Выход фотоприемника 9 подключен к входублока 12 формирования управляющих импульсов, один из выходов которого подключен к блоку 8 регистрации. Источникмеханических колебаний содержит усилитель 13 (например, усилитель мощности УКУ) и магнитоэлектрический преобразо-. ватель 14 (например, динамик 30 ГД), при этом магнитоэлектрический преобразователь снабжен толкателем 15 (прикрепленным, например, к диффузору 16 динамика 14), а один иэ выходов усилителя 13 подключен к блоку 8 регистрации. Блок 6 модуляции (фиг. 2) содержит, например, электрооптический модулятор 17 (например МЛ) с источником напряжения смещения рабочей точки модулятора 18 и подключенный к нему генератор 19 поднесущей частоты для обеспечения возможности усиления сигнала, несущего полезную информацию о колебаниях конструкции 4 с помощью узкополосного усилителя (в качестве генератора 19 может быть использован генератор ГЗ Фотоприемник 9 (фиг, 3) содержит, например, фотоэлектронный умножитель 20 (например, ФЭУА) с блоком 21 питания и усилитель 22, в качестве которого может быть использован, например, селективный микровольтметр В 6-1, Блок 12 формирования управляющих импульсов (фиг, 4) содержит, например, амплитудный детектор 23, активный фильтр 24, в качестве кбторого может быть использован усилитель с частотно-зависимой положительной обратной связью, выполненный, например, на основе моста Вина, блок 25 преобразования сигнала в прямоугольные импульсы 25(например, усилитель-формирователь УЗ), генератор 26 электрических импульсов, работающий в режиме внешнего запуска(например, Г 5-26), Кроме того, устройство содержит еще один источник механических колебаний, выполненный в виде магнитоэлектрического преобразователя 27 (фиг, 1) (аналогичен магнитоэлектрическому преобразователю 14) с усилителем 28 (например, усилитель мощности УКУ) для взаимодействия с конструкцией 4, еще один генератор 29 электрических сигналов (например,. Г 5-26), 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 Г 5-26), вход которого через выключатель 31 подключен к усилителю 13, первый выход 30 подключен к входу дополнительного магнитоэлектрического преобразователя 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 для установки магнитоэлектрических преобразова телей 14 и 27 с воэможностью их перемещения относительно друг друга.Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции работает следующим образом. Демонстрация явления принудительной синхронизации (выключатель 31 разомкнут) производится в следующем порядке.Запускают оптический квантовый генератор 5, его излучение, модулированное по амплитуде блоком 6 модуляции, с помощью коллиматора 7 подводится к поверхности конструкции 4 (модуляция осуществляется с помощью модулятора 17 с подключенным 15 20 25 30 35 40 45 50 55 к нему генератором 19 для обеспечения возможности усиления сигнала, несущего полезную информацию о колебаниях конструкции 4 с помощью узкополосного усилителя 22). Излучение оптического квантового генератора 5 модулируется по амплитуде колеблющейся поверхности конструкции 4 (при включении оптического квантового генератора 5 будет подан первый импульс на усилитель 13 и магнитоэлектрический преобразователь 14 источника механических колебаний). Отражен.ное излучение генератора 5 с помощью оптической системы (коллиматора 10 и интерференционного фильтра 11, настроенного на длину волны излучения оптического квантового генератора 5) подводится к фотоприемнику 9, где сигнал усиливается с помощью узкополосного усилителя 22 и подается на блок 12 формирования управляющих импульсов, а также на блок 8 регистрации для контроля качества принимаемого сигнала. В блоке формирования управляющих импульсов сигнал поступает на амплитудный детектор 23, с выхода которого снимается сигнал, содержащий информацию о частоте, амплитуде и форме колебаний конструкции (поступает на блок 8 регистрации), этот сигнал представляет собой периодическую функцию времени, близкую к синусоидальной, Чтобы устранить влияние высших гармоник на формирование управляющих импульсов в блок введен перестраиваемый активный фильтр 24. Сигнал с него преобразуется в импульсы с помощью усилителя-ограничителя 25 и генератора 26 импульсов. Импульсы с формирователя 12 поступают на усилитель 13 (сигнал с выхода усилителя контролируется с помощью блока 8 регистрации), а затем на магнитоэлектрический преобразователь 14, последний посредством толкателя 15 взаимодействует с конструкцией 4,Таким образом, момент времени подвода механической энергии к конструкции 4 определяется параметрами колебаний кон10 струкции 4, При этом амплитуда колебаний постепенно возрастает по закону, определяемому добротностью колебательной системы. Наступает установившийся режим колебаний в автоколебательной системе. После этого включается в, работу генератор 29 электрических сигналов (выбранная частота сигнала регистрируется с помощью блока 8 регистрации), сигнал с которого усиливается с помощью усилителя 28 (сигнал с выхода усилителя 28 контролируется с помощью блока 8 регистрации) и поступает на вход магнитоэлектрического преобразователя 27, последний с заданной частотой, посредством тол кателя, взаимодействует с конструкцией 4. При достаточно малой разности между частотой автоколебательной системы и частотой воздействия на конструкцию 4 магнитоэлектрического преобразователя 27 устойчивое периодическое движение системы преобразует частоту этого воздействия - демонстрируется явление принудительной синхронизации.Демонстрация развития колебаний конструкции в автоколебательном режиме воздействия (выключатель 31 замкнут, блоки 28 и 29 отключены) в соседние пучности колеблющейся поверхности конструкции производится в следующем порядке,Предварительно проводят демонстрацию колебаний конструкции в автоколебательном режиме воздействия с помощью одного источника 13 и 14 механических колебаний, как указано (выключатель 31 разомкнут, блоки 28 и 29 отключены), при этом определяют время переходного режима (время, необходимое для достижения установившегося режима колебаний), число импульсов за это время, формы колебаний конструкции (узловые точки и пучности колеблющейся конструкции могут быть определены либо визуально, либо наощупь, либо с помощью датчиков деформации, например, наклеенных на поверхность конструкции тензодатчи ко в). После этого устанавливают дополнительный магнитоэлектрический преобразователь 27 на резь- бовой стойке 32, фиксируя с помощью гайки 33 и контргайки 34 в таком положении, чтобы толкатель магнитоэлектрического преобразователя 27 отстоял от толкателя 15 магнитоэлектрического преобразователя 14 на половину длины волны колеблющейся конструкции (воздействовал бы в соседнюю пучность конструкции).После этого выставляют на устройстве 30 временного сдвига задержку во времени т, равную половине периода колебаний конструкции Т (т = Т/2) (длину волны колеблю 15 20 25 30 35 40 45 50 щейся конструкции и период колебаний Т определяют в предварительном эксперименте). После этого в указанном порядке запускают установку в автоколебательном режиме воздействия (выключатель 31 замкнут), при этом схема воздействия показана на фиг, 5 - 8. После воздействия от магнитоэлектрического преобразователя 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 колебл ющейся поверхности (фиг. 7), Определяется время переходного процесса и число импульсов за это время и показывается, что эти величины меньше, чем в первом случае(в предварительном эксперименте), В приведенном примере конструкции (стержень, пластина) форма колебаний, указанная на фиг. 5 - 8, реализуется только при определенных условиях испытания, однако в случае, например, оболочки реализуются сразу только многоузловые формы колебаний,Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в расширении дидактических возможностей устройства, так как помимо демонстрации колебаний конструкции в режиме вынужденных колебаний, в автоколебательном режиме воздействия, обеспечена демонстрация явления принудительной синхронизации, кроме того обеспечена возможность исследования величины интервала захватывания, т, е, той наибольшей разности частот (при регулировании частоты сигналов генератора 29) автоколебательной системы и воздействия магнитоэлектрического преобразователя 27, при которой еще имеет место захватывание. Кроме того, обеспечена возможность демонстрации развития колебаний конструкции в автоколебательном режиме воздействия в соседние пучности колеблющейся поверхности конструкции,Предлагаемое устройство целесообразно использовать в ВУЗах и техникумах на лекциях и в лабораторном практикуме по механике. Формула изобретения Устройство для демонстрации и исследования колебаний конструкции по авт. св,М 1536428, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения дидактических возможностей устройства путем демонстрации явления принудительной синхронизации, в него введены дополнительный источник механических колебаний, выполненный в виде магнитоэлектрического преобразователя столкателем для взаимодействия с конструкцией, дополнительный усилитель, генератор импульсов, узел временного сдвига и переключатель, вход которого подключен к выходу усилителя, а выход соединен с входом узла временного сдвига, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу магнитоэлектрического преобразователя дополнительного источника механических колебаний и к четвертому входу блока регистрации, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с первыми выходами дополнительного усилителя и генератора импульсов, второй выход которого соединен с входом 5 дополнительного усилителя, второй выходкоторого подключен к входу магнитозлектрического преобразователя допол нител ьного источника механических колебаний, причем источники механических колебаний 10 установлены на стойке с возможностью перемещения относительно конструкции.1721623 Составитель В.НестеровТехред М. Моргентал Корректор И,Муска ктор И.Дерба аказ 955 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарин