共振柱试验的原理及应用
共振的研究实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解共振现象的基本原理。
2. 探究不同因素对共振现象的影响。
3. 学习使用共振实验装置进行实验操作。
4. 分析实验数据，验证共振现象的理论。
二、实验原理共振现象是指当系统受到周期性外力作用时，系统振动的振幅达到最大值的现象。
共振现象的产生与以下因素有关：1. 外力的频率：当外力的频率与系统的固有频率相等时，共振现象最明显。
2. 阻尼系数：阻尼系数越小，共振现象越明显。
3. 系统的质量：质量越大，共振频率越高。
三、实验装置与材料1. 共振实验装置：包括弹簧、摆锤、支架、测力计、计时器、频率计等。
2. 材料：铁块、塑料块、橡皮筋等。
四、实验步骤1. 安装共振实验装置，调整摆锤的初始位置，确保摆锤与支架垂直。
2. 在摆锤上挂上不同质量的物体，如铁块、塑料块等，观察摆锤的振动情况。
3. 改变摆锤的初始角度，观察不同初始角度对振动情况的影响。
4. 改变外力的频率，观察不同频率对共振现象的影响。
5. 改变阻尼系数，观察不同阻尼系数对共振现象的影响。
6. 记录实验数据，分析实验结果。
五、实验数据与分析1. 不同质量物体对共振现象的影响实验结果表明，随着摆锤上挂载物体质量的增加，共振现象越明显。
这是因为质量越大，系统的固有频率越高，更容易与外力频率达到共振。
2. 不同初始角度对共振现象的影响实验结果表明，摆锤的初始角度对共振现象的影响较小。
当初始角度较小时，共振现象较为明显。
3. 不同频率对共振现象的影响实验结果表明，当外力的频率与系统的固有频率相等时，共振现象最明显。
随着外力频率的增加或减少，共振现象逐渐减弱。
4. 不同阻尼系数对共振现象的影响实验结果表明，阻尼系数越小，共振现象越明显。
当阻尼系数较大时，共振现象较弱。
六、实验结论1. 共振现象的产生与外力的频率、系统的质量、阻尼系数等因素有关。
2. 当外力的频率与系统的固有频率相等时，共振现象最明显。
3. 阻尼系数越小，共振现象越明显。
声音的共振现象的实验研究与应用
声音的共振现象的实验研究与应用声音的共振现象实验研究与应用声音的共振是指当一个物体受到外界声源的振动作用时，会引发该物体自身共振，在特定频率下发出更大的声音。
在实验研究与应用上，声音的共振现象有着广泛的应用价值。
本文将以共振的原理、实验研究和应用为主线进行阐述。
首先，我们需要了解声音的共振原理。
共振现象是由于外界声源的振动与物体自身固有频率相吻合，使得物体向外发出更大幅度的振动和声音。
物体的固有频率是指物体可以自由振动的频率，比如弹簧的弹性固有频率、空气柱的共鸣频率等。
当外界声波以物体的固有频率来作用时，物体相应地进一步受到振动的驱动，振幅进一步增强，从而产生共振现象。
为了研究声音的共振现象，我们可以进行实验。
其中一种常见的实验是利用共鸣管研究共振现象。
共鸣管是一种具有固有频率的空气柱，可以通过改变长度来调整共鸣频率。
实验的步骤如下：首先，将一个封闭的共鸣管直立放置，待系统达到平衡状态；其次，将一个固定频率的声源靠近共鸣管的开口处；再次，逐渐改变共鸣管的长度，观察声音的强度。
实验结果表明，当共鸣管长度与声源频率相吻合时，声音的强度会有明显的增大，即发生了共振。
共振现象在实际中有着广泛的应用。
一方面，共振现象可以被利用来进行物理计量。
例如，共鸣管的固有频率可以用来测量声音的频率，从而实现对声音信号的频率测量。
此外，共振现象也被应用于共振频率声学观测，如医学中利用共振现象来进行超声波检测和成像，使得声波能够更准确地探测人体内部的情况。
另一方面，共振现象也被应用于声学音响领域。
音响系统中的扬声器常常利用共振现象增强声音的输出。
通过将扬声器的振动频率与空气柱的共鸣频率相吻合，使得音响系统能够以最佳效果输出声音，提高音响的音质和声音的传播效果。
此外，共振也可以用于改善房间内声音的传播和消除声音的回音。
例如，将合适的共鸣器放置在房间内部，利用共振效应来消除声音的回音和噪音，从而改善听力环境。
综上所述，声音的共振现象是一种物体受到外界声源的振动作用后，产生更大幅度振动和声音的现象。
ResonanceinAirColumns在空气柱的共振
contents
目录
• 共振现象简介 • 空气柱的共振 • 影响空气柱共振的因素 • 空气柱共振的应用 • 空气柱共振的未来发展
01 共振现象简介
共振现象的定义
01
02
03
共振现象
当一个振动系统（如空气 柱）的振动频率与外界激 励频率相同时，系统会产 生强烈的振动响应。
共振现象
当一个振动系统（如空气柱）受 到外界激励时，如果激励频率与 系统的固有频率相匹配，系统会
产生强烈的振动响应。
固有频率
空气柱的固有频率与其长度、截面 积、密度和弹性模量等因素有关。
能量传递
共振时，外界能量被有效地传递给 空气柱，使其产生大幅度的振动。
空气柱的共振条件
1 2
激励频率
外界激励频率需与空气柱的固有频率一致，这是 产生共振的必要条件。
动力学方程
空气柱的振动可以建立动 力学方程，通过求解方程 可以得到系统的振动响应。
共振现象的应用
音响设备
利用共振现象提高音响设备的音质和音量。
振动检测
通过测量空气柱的振动响应来判断设备的运行状态和故障。
声学研究
研究空气柱的共振特性有助于深入了解声波传播和声音产生的机 制。
02 空气柱的共振
空气柱的共振原理
压力影响
空气的压力对共振的影响主要体现在气柱的刚度和质量上。较高的 压力导致气柱具有更大的刚度和质量，从而影响共振行为。
实验验证
通过实验可以观察到，随着气流速度和压力的改变，空气柱的共振频 率和幅度也会发生变化。
04 空气柱共振的应用
声学乐器
风琴
风琴的音色和音高由空气柱的共振决 定，通过改变风琴的管道长度和宽度 ，可以调整空气柱的共振频率，从而 产生不同的音高和音色。
气柱共振实验
气柱共振实验如果振动的频率和波的长度是已知的,那么声波在某种物质中的传播速度就能够被确定。
在这个实验中,可以利用已知频率的声波,求出声音在空气中的传播速度。
该声波的波长能够利用共振的空气柱测得。
本实验的目的有两个,一是通过封闭管子中的共振测定不同频率的声波在空气中的波长;二是利用这种测量方法计算出声波在空气中的传播速度。
原理：声音是借助空气分子的纵向振动来传递的，因此声波属于纵波。
声波的传播速率与介质的弹性及密度有关。
在质点振动的一个周期内，振动状态传播的距离恰是一个波长，所以λ=v/f，或λ=vT由上式可以看出，同一频率的波，在不同媒质中的波速是不同的，因而波长也就不同。
如果知道振源的振动频率f及声波之波长我们就可以从上次算出声音的速度在实验室中利用不同长度的两端开口的管子，一端作为声源的输入，产生特定频率的声波，另一端放置麦克风采集管内空气的振动情况。
此时在同一介质内传播，且具有相同强度的入射波和反射波，遵循波的叠加原理产生干涉作用。
从理论上得知当空气柱的长度l与声波之波长之间具有以下关系形成驻波声音在空气中的传播速度，0°C是331.4m/s；当温度更高时，速度会更高些，关系式:V=331.4+0.6t实验器材：LABVIEW软件长度不同的两端开口管子耳机麦克风PXI数据采集系统实验步骤：1 利用电脑中的labview程序产生一个固定可调频率的声波2 将耳机放置在开口管的一端入口处，作为振动的声源3在开口管的另一端放置麦克分，采集声波振动情况4 利用PXI数据采集系统采集有麦克风传递来的声波振动信息。
、5 利用labview程序显示波形，并理由函数频谱分析，记录不同振动频率下的声波振幅大小。
实验数据处理：管长90cm实验数据频率幅值1000 721050 761100 841150 761200 721300 831500 801600 831650 881660 901670 941675 951680 961685 951690 941700 901720 861800 821820 831850 911900 881950 822000 80短管43cm实验数据500 78600 73700 75800 80830 86840 89850 93855 95860 96865 94870 92900 84950 771000 75频率幅值1250 681270 641280 721290 671310 66实验数据分析：由上式可知当管长L=90cm时ｆ=Vn/0.9*2当达到共振频率时n值对应的是不同的频率，但他们符合上式的关系有上边数据当频率等于860和1680时振幅达到最大值，即此时达到共振频率，1680/860≈2，即符合上式关系式。
共振柱及动三轴试验在地铁工程中的应用分析
共振柱及动三轴试验在地铁工程中的应用分析郑伟强【摘要】为考虑地铁运营期间,列车动荷载对土层的振动效应,对粉土、砂土和软土分布较广较厚地段选取适当地点布置一定数量的共振柱试验和动三轴试验,获得典型土层的动弹性模量、动阻尼比.试验结果表明,在特定剪应变值情况下,阻尼比随剪应变值的增大而增大,剪切模量比随剪应变的增大而减小.在同一围压条件下,当γ碞0.005时,阻尼比随剪应变值增加很快,剪切模量比随剪应变增大而减小的幅度大;但当γ﹥0.005时,阻尼比随剪应变值增加缓慢,后期基本不变,剪切模量比增长缓慢,基本趋于平稳.围压相同时,剪切模量比随剪应变比的增加而减小,当γ/γr碞5时,其递减幅度大;而当γ/γr>5时,剪切模量比随剪应变的递减幅度小,基本保持不变.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2018(044)010【总页数】3页(P171-172,174)【关键词】共振柱试验;动三轴试验;剪应变;阻尼比;剪切模量比;剪应变比【作者】郑伟强【作者单位】南京南大岩土工程技术有限公司,江苏南京 210005【正文语种】中文【中图分类】TU470 前言建筑物地基和土工建筑物在动荷载作用下发生振动，土的强度和变形特性都要受到影响。
随着城市建设的飞速发展，土动力学的应用也越来越广泛，许多专家学者对不同土质条件情况下的动力特性进行了研究[1-6]，包括饱和砂性土、饱和黏土等，研究并探讨了包括动弹性模量、动剪变模量、阻尼比、动强度、抗液化强度和动孔隙水压力等的变化规律，对学术研究及工程实际均具有重要的意义。
本文以南京地铁某区间段为背景，进行了共振柱及动三轴试验，测试在不同应变情况下剪切模量与平均固结应力以及剪切模量、阻尼比与剪应变的关系，研究并分析此处土层的动力特性，为地铁工程的动力稳定性评价提供一定的参考。
1 工程概况[7]南京地铁某线一期工程起于中保站，止于仙林东地区，线路全长33.76 km，高架和地面线长1.259 km，地下段长32.502 km。
共振柱仪
Gd
g
Vs 2
Ed
g
Vc 2
DTC-158型共振柱仪试验
自由衰减法: 把共振柱视作单自由度阻尼振动体系, 在发 生共振后切断电源,并记录振动衰减(作为时间的函数)
DTC-158型共振柱仪试验
• 衰减幅值δ与临界阻尼λ的比值有关
2 1- 2
当阻尼λ为小值时, 1-2 1 ，上式变为：
WPS Office
Make Presentation much more fun
@WPS官. • 1985年, 能源部南京自动化研究所紧接着推出了固定一弹簧端类型的共振
柱仪. 饶有兴趣的是: 这二种仪器采用了相同的型号, 即G Z 一1 型。 • 1988年, 浙江大学土木系和能源部南京自动化研究所联合研制了可以进行
偏压固结的G S一1 型共振柱仪, 其试样的端部约束条件为固定一自由端。
• 微机采集数据后, 即可用快速傅立 叶变换( FFT) 进行 时域到频域的转 换。一般情况下, 只利用试样系统 的基频, 因此只有 一个主峰值点, 它 对应的频率即为 共振频率, 得到共 振频率幅值频谱 图。
DTC-158型共振柱仪试验
• 所测得的共振频率即土样-仪器系统的固有频率。 根据测得试样-系统的固有频率和系统本身的动力 特性确定剪切波速, 即可算得土试样的剪切模量。
世界上主要几种共振柱仪
共振柱仪
• 共振柱试验仪器具有应力条件明确、试验结 果可靠、稳定等优点。广泛应用于研究土在 小应变(10-5 -10-3)范围内的动力特性，并用它 来确定土的基本动力参数．
共振柱仪的基本原理是在一定湿度、密度和应力 条件下的圆柱或圆筒形土样上, 以不同频率的激 振力顺次使土样扭转向振动或纵向振动, 测定其 共振频率, 以确定弹性波在土样中传播的速度, 再切断动力, 测记出振动衰减曲线。根据这个共 振频率和土样的几何尺寸, 计算土样动模量Gd或 Ed , 根据衰减曲线计算阻尼比λ
共振现象及其应用
15
共振的利用
共振法打桩
在修建桥梁时需要把管柱插入江底作为基 础,如果使打桩机打击管柱的频率跟管柱的固有 频率一致,管柱就会发生共振而激烈振动,使周 围的泥沙松动,管柱就较容易克服泥沙的阻力, 下插到江底. 在建筑工地，建筑工人在浇灌混凝土的墙壁 或地板时，为了提高质量，总是一面灌混凝土， 一面用振荡器进行震荡，使混凝土之间由于振 荡的作用而变得更紧密、更结实。
7
共振的危害
桥梁 倒塌 共振危害 案例 机器 损坏
8
雪 崩
翻 船
共振的危害
桥梁倒塌
1940年，美国的全长860米的塔柯 姆大桥因大风引起的共振而塌毁， 尽管当时的风速还不到设计风速限 值的1/3，可是因为这座大桥的实 际的抗共振强度没有过关，所以导 致事故的发生。
美国Tacoma大桥倒塌前
每年肆虐于沿海各地的热带风暴，也是 借助于共振为虎作伥，才会使得房屋和 农作物饱受摧残。因为风除了产生沿着 风向的一个风向力外，还会对风区的构 筑物产生一个横力，而且风在表面的漩 涡在一定条件下产生脱落，从而对构筑 物产生一个震动。要是风的横力产生的 震动频率和构筑物的固定频率相同或者 相近时，就会产生风荷载共振.
4
共振的条件
条件
系统在周期性外力(强迫力)作用下发生受迫振动.在受迫振动时，如果外力的 频率跟系统的固有振动频率接近或相等时，受迫振动达极大值，这种现象叫做 共振.
分类
A 振幅共振 受迫振动位移 振幅达极大值.
A
无阻尼
小阻尼 大阻尼
O
5
条件：
0
0
共振的条件
v B 速度共振
受迫振动速度振幅达极大值.
3
共振的现象
什么是共振介绍共振的原理和应用
什么是共振介绍共振的原理和应用共振是指当一个系统的自然频率与其受到的外力频率相等或成整数倍关系时，系统振动的幅度显著增大的现象。
在生活中，共振现象无处不在，它不仅在物理学领域有广泛的应用，还与工程学、音乐、生物学等多个领域密切相关。
一、共振的原理1.自然频率：每个振动系统（如弹簧、摆等）都有其固有的自然频率，即系统自由振动的频率。
2.外力频率：当外力作用于振动系统时，外力的频率会影响系统的振动。
3.共振条件：当外力频率与系统自然频率相等或成整数倍关系时，系统振动幅度显著增大，这种现象称为共振。
二、共振的应用1.物理学：在物理学领域，共振用于研究物体的振动、波动等现象，如简谐振动、单摆、弹簧振子等。
2.工程学：共振在工程领域有广泛应用，如桥梁设计、建筑物的抗震设计、飞机的飞行稳定性等。
3.音乐：音乐乐器（如吉他、钢琴等）的共鸣箱利用共振原理，使乐器发出更加悦耳的声音。
4.生物学：共振在生物学领域也具有重要意义，如蝙蝠的回声定位、昆虫的飞行等。
5.通信：在无线电通信中，共振原理用于选台和放大信号。
6.机械：共振在机械领域有应用于过滤和减小噪声等。
通过以上介绍，我们可以了解到共振是一个广泛存在于各个领域的现象，对于中学生来说，了解共振的原理和应用，有助于培养对自然科学的兴趣和认识。
习题及方法：1.习题：一个摆动的单摆，其自然频率为1Hz，若在外力作用下，使其摆动频率达到2Hz，求此时摆动的幅度。
解题方法：根据共振条件，当外力频率与自然频率相等或成整数倍关系时，振动幅度最大。
此题中外力频率为2Hz，是自然频率的2倍，因此摆动幅度达到最大。
答案：摆动幅度最大。
2.习题：一个弹簧振子，其自然频率为5Hz，若要使其在共振状态下振动，外力频率应设为多少？解题方法：根据共振条件，外力频率应与自然频率相等或成整数倍关系。
因此，外力频率可以是5Hz、10Hz、15Hz等。
答案：外力频率可以是5Hz、10Hz、15Hz等。