方形薄板二維駐波的研究

2014-12-01 01:55:20方奕忠崔新圖廖德駒馮饒慧

物理實驗 2014年1期

方奕忠，王鋼，沈韓，崔新圖，廖德駒，馮饒慧

（中山大學物理科學與工程技術學院，廣東廣州510275）

1 引言

克拉尼圖形是物理演示實驗中的重要課題，常被作為大學預備性物理實驗的教學內容［1］，類似的振動問題也常見報道［2］.對于長方形（或正方形）薄板的克拉尼圖形的研究，之前主要集中在低頻段（f＜1kHz）［3］，文獻上未見高頻段的報道.本實驗將在高頻段從實驗和理論兩方面研究克拉尼圖形，討論振動源在方形板角落或任意點時的振動情形，并將實驗值與理論解進行對比.

2 實驗原理與理論模型

考慮如圖1所示的二維長方形薄銅板，假定其質量分布均勻，厚度為2h（h很小），邊長分別為a和b.在銅板的一角（設為原點O）有一振動點源，以某一固定圓頻率ω0＝2πf垂直于銅板面作簡諧振動.下面考慮其振動問題，求出共振發生時的簡正模式［4］，并與實驗測出的克拉尼圖形比較.

圖1 二維平板振動原理

假定水平放置的薄銅板的質量體密度為ρ，彈性模量為Q，由彈性力學或理論聲學［5］知識可知，若設其豎直方向小振動的傳播速度（相速）為u，（x，y）點處（0＜x＜a，0＜y＜b）在t時刻的振動位移（撓度）為η（x，y，t）（取靜止時的位移為零），則η滿足以下方程：

其中▽4＝▽2▽2，▽2為 Laplace算符，1／c2＝3ρ（1-s2）／（Qh2）.s是泊松比，對大多數材料，s約為0.25～0.33.類似參考文獻［5］，為了研究板的簡諧振動，令η＝Z（x，y）e-iωt，Z的微分方程可寫為

所以Z可以是方程

或

的解，通常應該是兩者的線形組合，此時γ相當于簡諧波的波矢k.設邊界為自由邊界，在薄板很薄，振動很小，板所受的重力可忽略的情況下，邊界上的彎矩、扭矩及豎直方向剪力均為0，此時邊條件為［6］

考慮無初值問題，點O（0，0）處振源滿足

對Z分離變量，令Z＝X（x）Y（y），設式（3）的解為Z1，式（4）的解為Z2，則Z＝Z1＋Z2，其中

同理，D1，D2及ky也滿足類似的方程，只需將式中的a改為b.先考慮kx，由（9）式得

令β＝kxa／π，把容許的β由小到大排列，有β1＝1.505 6，β2＝2.499 7，β3＝3.500 0，….由此可知，當n＞2時，βn≈n＋，有kxna＝πβn.同理，令kymb＝πβm，則當m＝n時，有βm＝βn.若令an＝cm＝，bn＝B1，dm＝，可以證明，當n＞2，m＞2時，有

其中

下面只考慮φn（x），后面可對φm（y）作類似處理.式（12）中

當n＞2時，有

通過數值計算，如n＝2時，φ2（x）的節點為

n＝3時，φ3（x）的節點為

由文獻［5］知，φn（x）的節點數為n＋1，注意節點的分布關于過薄板中心點且與y軸平行的直線對稱.對y方向的分析也完全類似，將式（16）中的a改為b，n改為m，x改為y，可得m＞2時，有

于是得到方程（1）在自由邊條件（5）下的解的簡正模式為

通解為（18）式的線性組合.由此可看到，當

時，可得到一系列的簡正振動：

故有k＝ω0／u＝γ.此時φnm（x，y）＝0的位置就是共振駐波波節線的位置.注意

有波速

c見式（1），為常量.由式（22）知，薄板為頻散媒質，波速（即相速）隨頻率f變化而變化.對方形板，a＝b，波速可表示為

于是可在實驗上分別數出x，y方向某一頻率f下共振時的克尼拉圖形中的波節數n＋1，m＋1，代入式（22）或式（23），即可求出波速u.

3 實驗結果與分析

實驗選取a＝b＝200mm，厚度2h＝1mm的黃銅板，振動源采用壓電陶瓷蜂鳴片.結果如表1所示.x方向的波節數為n＋1，y方向的波節數m＋1.可見，在各種頻率下，測出常量c的平均值為0.985m2／s.銅板的質量體密度ρ＝8.10×103kg／m3，注意對于黃銅，s＝0.324，由 Q＝3ˉc2ρ（1-s2）／h2可求出薄銅板的彈性模量為Q＝8.44×1010kg／（m·s2）.進一步求出｜cmaxcmin｜／ˉc＝0.112，可見，c比較穩定，與理論比較符合.實驗上還可以與其他測量彈性模量的方法［7-8］進行比較，在此暫不討論.

表1 xy方向波節數不同時的波速

由于銅板為正方形，a＝b＝200mm，由對稱性，若仔細調節振動源的頻率，可使x，y方向的波節數相等，即n＋1＝m＋1＝l＋1，式（23）可簡化為

相應的實驗結果如表2所示，與理論也比較符合.

表2 xy方向波節數相同時的波速

4 進一步的分析與討論

以上是振動源在角落O（0，0）的情形.對振動源在銅板的任何位置O′（a1，b1）（0＜a1＜a，0＜b1＜b）的情形，類似前面，同樣可以求解出其簡正模式為：

存在振動源O′（a1，b1）時，需滿足

當

時，仍有一系列的簡正振動

此時將發生共振，在xy平面上也可產生二維駐波波形，即克拉尼圖形.對比式（28）和式（20）可知，不論振源在平板上的哪個位置，只要頻率不變，克拉尼圖形的波節（或波幅）的位置都相同，只是振幅發生改變.振幅需滿足

其他如波矢k、波速u等均不變.

實驗觀測克拉尼圖形，振源難以嚴格放在a1＝0，b1＝0的位置，故實際上都是a1≠0，b1≠0.實驗裝置如圖2所示，左邊為有一支撐桿支撐的薄黃銅板，支撐桿靠近左下角，板上灑有白色細沙，板的底面中心附近貼有蜂鳴片，蜂鳴片通過導線與右邊的DDC函數信號發生器的信號輸出端相連.圖3所示為實測的n＋1＝15，m＋1＝10的二維駐波圖，對應頻率為12.038kHz.圖4為由式（20）得出的數值模擬圖，兩者符合得很好.其中顏色越淺表示振幅越小，顏色越深振幅越大.振幅為零代表波節的位置，即圖3中細沙集中的位置.由于共振時駐波的波節位置不變，仍可應用式（18）～（23），讀出x，y方向的波節數n＋1，m＋1，即可算出波矢k，從而求出波速u及彈性模量Q等物理量.