[实用新型]一种驻波法杨氏模量测量装置

说明书

本实用新型公开了一种驻波法杨氏模量测量装置，包括驻波激发系统和数据采集与分析系统，所述驻波激发系统包括样品杆固定组件和摆球组件；所述数据采集与分析系统包括麦克风组件，音频放大器，音频频谱分析工具。样品杆固定组件将被测样品杆在正中点处紧固，使得被测样品杆与样品杆固定组件刚性地连接在一起。被测样品杆的一端放置摆球，用以在被测样品杆中激发驻波；被测样品杆的另一端放置麦克风，用来接收激发出来的驻波的频率。然后通过音频放大器放大后，使用音频频谱分析工具进行分析。该测量装置原理清晰，结构简单，操作方便，可以直观地演示长杆中的驻波现象，精确地测量样品杆中的纵波波速，进而测量出样品材料的杨氏模量。

技术领域

本实用新型涉及一种大学物理教学实验仪器，具体涉及一种驻波法杨氏模量测量装置，属于物理实验测量技术领域。

背景技术

杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。当前大学物理基础实验中，测量金属材料杨氏模量的方式可大致分为两类：静态测量和动态测量。

在静态测量法中，主要是采用拉伸方式测量金属丝杨氏模量。由于材料被拉伸时载荷大，加载速度慢，存有弛豫过程，应用拉伸法不能完全真实地反映材料内部结构的变化。在动态测量法中，主要采用悬挂共振方式测量金属材料杨氏模量，它可以克服拉伸法的弊端。但该方法中需要两个支撑点悬挂样品材料棒，且支撑点必须位于该样品棒共振的节点处，同时在确定共振频率时需要反复精细调节，相关数据分析处理过程繁琐。

实用新型内容

为了克服上述拉伸法和悬挂共振法的不足，本实用新型提供一种利用长杆中纵向振动驻波法测量固体材料杨氏模量的装置，它所使用的方法属于动态测量法。应用该装置，只需要一个支点，同时可免去了繁琐的共振频率调节过程。

本实用新型采取的技术方案如下：

一种驻波法杨氏模量测量装置，包括驻波激发系统和数据采集与分析系统；

所述驻波激发系统包括样品杆固定组件和摆球组件，所述样品杆固定组件包括底座和固接于其上用于固定被测样品杆的样品杆支架，所述摆球组件括摆球支架、摆线和摆球，所述摆线一端固定在摆球支架上、另一端连接摆球；所述数据采集与分析系统包括：麦克风组件、音频放大器、音频频谱分析工具，以及连接信号线；所述麦克风组件包括麦克风支架，和设置于麦克风支架上的麦克风，通过信号线把麦克风输出端连接到音频放大器的输入端；再把音频放大器的输出端用信号线连接至音频频谱分析工具的输入端口；被测样品杆的一侧放置摆球组件，另一侧放置麦克风组件；麦克风的中心、摆球的球心、被测样品杆的轴线应能调至于一条水平轴线上。

该仪器测量原理如下：

把被测样品杆水平安装在样品杆支架上，样品杆支架将该被测样品杆在正中点处紧固住，样品杆支架和底座间刚性固接，这样被测样品杆就可以通过样品杆支架与底座刚性地连接在一起。在被测样品杆的一端1-2厘米处放置摆球，用以在样品杆中激发驻波；另一端1-2厘米处放置麦克风，用来测量其中激发出来的驻波的频率。

摆球与被测样品杆一端正向碰撞后，会在样品杆中激发起各种频率的波。这些波动在长杆中传播，并在杆的左右两个端面之间来回会被反射并叠加。其中只有满足简正条件的波动会被相对加强，形成驻波，不满足简正条件的波将很快地衰减。而在所有简正模式中，频率越高的振动模式将衰减越快。因为样品杆的左右两端都是开放端，而中间为固定端，所以可知对于其中形成的驻波，一定是左右两端为波腹，正中间为波节。设杆的长度为L，据此边界条件，有：

其中λ_n为驻波波长，n＝1对应于基频，在所有简正模式中，它衰减最慢。由上式，显然λ₁＝2L。测量出了基频的频率f₁，便可以得到该杆中纵向波速：u＝2Lf₁；再利用波速与材料的杨氏模量E和密度ρ的关系式，即可计算出杨氏模量，最后，可得：