利用LabVIEW改進弦振動實驗儀

曲文葛，王本陽，王新順

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 大學(xué)物理實驗中心，山東 威海 264200)

利用LabVIEW改進弦振動實驗儀

曲文葛，王本陽，王新順

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 大學(xué)物理實驗中心，山東 威海 264200)

對傳統(tǒng)弦振動實驗進行改進，利用LabVIEW的圖形化程序設(shè)計及數(shù)據(jù)采集卡的LabVIEW函數(shù)調(diào)用，編寫LabVIEW程序控制采集弦振動信號的數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)弦振動信號的計算機顯示，并通過編寫LabVIEW程序進行傅里葉變換頻譜分析.

弦振動；LabVIEW；頻譜分析；采集卡

弦振動實驗在近現(xiàn)代大學(xué)物理實驗中占有比較重要的地位，它涵蓋了經(jīng)典力學(xué)中的振動以及波動理論的主要內(nèi)容[1]. 在當(dāng)代的大學(xué)物理實驗中，弦線振動已經(jīng)由音叉驅(qū)動改進為驅(qū)動線圈磁場安培力驅(qū)動，保證了驅(qū)動信號的持續(xù)性和穩(wěn)定性[2]. 而在接收信號方面普遍采用模擬示波器進行模擬信號輸入，學(xué)生實驗中不能對輸入信號進行實時信號分析驗證，比如頻譜分析、小波分析等. 本文利用高速數(shù)據(jù)采集卡對弦振動線圈輸出信號進行調(diào)制輸出，然后進行LabVIEW編程，對信號進行計算機處理和存檔，將計算機技術(shù)和實驗技術(shù)相結(jié)合，并對學(xué)生的實驗進度進行提升，使學(xué)生能在一節(jié)實驗課內(nèi)完整地完成變換驅(qū)動頻率、張力、弦長、弦線密度4項參量的測量.

1 弦振動基本原理

弦振動實驗主要觀察和驗證駐波形成條件，在實驗中，驅(qū)動線圈形成的磁場給予線圈安培力，產(chǎn)生周期性振動從而產(chǎn)生入射波和反射波. 以某點為坐標(biāo)原點，入射波和反射波的方程分別為

(1)

(2)

式中，A為簡諧波的振幅，f為頻率，λ為波長.

當(dāng)2波滿足駐波形成條件時，產(chǎn)生合成波：

(3)

(4)

此時合成波在波腹位置振幅最大. 在波節(jié)位置處

(5)

此時合成波在波節(jié)位置處振幅最小.

在實驗中當(dāng)傳感器放置在波腹位置附近，合成波的輸出時域波形振幅最大.

又由弦線只能形成整數(shù)倍駐波，可列出

(6)

弦上波的傳播速度為

(7)

式中，T為弦線張力，ρ為弦線密度[3].

聯(lián)立(6)和(7)式，得出弦上駐波形成條件的入射波頻率為

(8)

在弦振動實驗中，可以獨立改變弦線密度ρ、弦線張力T、弦長L來進行理論公式的驗證.

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用杭州大華的DH0803弦振動實驗儀，用信號源及驅(qū)動線圈產(chǎn)生安培力使弦線振動，將接收線圈的模擬信號進行信號放大，并將此信號接入到數(shù)據(jù)采集卡，采集卡將該模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至LabVIEW程序中[4]，經(jīng)過編程后，由電腦運行程序顯示到電腦屏幕上. 硬件工作流程框圖如圖1所示.

圖1 硬件工作流程圖

實驗時，將砝碼掛在實驗臺掛鉤上，并保證水平，可以給弦線提供穩(wěn)定的張力，調(diào)節(jié)信號源的驅(qū)動頻率，使驅(qū)動線圈對弦線產(chǎn)生特定頻率的安培力. 弦振動采集系統(tǒng)實物圖如圖2所示.

圖2 弦振動采集系統(tǒng)實物圖

3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

利用編寫的數(shù)據(jù)采集軟件集中對采集卡進行LabVIEW編程，然后對采集信息進行頻譜變換. 先設(shè)置端口號，保證與計算機、采集卡匹配，再設(shè)置各通道量程、采樣率、采樣數(shù)據(jù)等參量，最后進行采集操作[5]. LabVIEW將采集的數(shù)據(jù)通過波形界面在計算機終端顯示，并將數(shù)據(jù)處理后，在計算機終端同步顯示出頻譜數(shù)據(jù). 完成駐波調(diào)試后，可存儲波形數(shù)據(jù)[6]. 軟件流程圖如圖3所示.

用LabVIEW程序的函數(shù)調(diào)用方法打開采集卡，設(shè)置并采集數(shù)據(jù). 采集數(shù)據(jù)時，采集卡對2個通道分別返回1組一維數(shù)組，通道2直接輸出時域波形信號[7]，將儀器在經(jīng)過對通道1的時域量程和采樣點數(shù)設(shè)置后，通道1在顯示時域波形信號的同時，利用LabVIEW的分析模塊，對通道1信號進行漢寧窗濾波，然后進行頻域變換，對信號波形及頻譜進行正確的顯示[8]. 圖4為對采集數(shù)據(jù)的采集分析.

圖4 采集系統(tǒng)LabVIEW程序采集分析部分

4 實驗結(jié)果

4.1 單個駐波共振頻率

實驗條件是：拉力T=9.8 N，弦長L=56 cm，弦線密度ρ=1.030 g/m. 通過(8)式可算得單個駐波共振頻率理論值f=84.95 Hz. 經(jīng)過駐波形成調(diào)試，觀察到信號源的驅(qū)動頻率85.2 Hz，而本文的軟件程序在計算機終端顯示為85.0 Hz處,如圖5所示.

圖5 在驅(qū)動頻率85.2 Hz處產(chǎn)生駐波現(xiàn)象

從圖5中可以看到在170 Hz和255 Hz附近產(chǎn)生了倍頻，讓學(xué)生對合成波不是完美的正弦波形有了更直觀確切的理解.

4.2 2個駐波共振頻率

經(jīng)過理論計算可得，理論的駐波共振頻率f理=169.90 Hz，而在實驗測量中，實際調(diào)試出來的信號源驅(qū)動頻率f驅(qū)=175.6 Hz，經(jīng)軟件顯示發(fā)現(xiàn)，在175.0 Hz處頻譜信號最強，弦線振動也最為明顯，如圖6所示. 觀察圖6中的頻譜顯示 圖，調(diào)試2個駐波過程中，在175.0 Hz處，有最大的頻譜強度，并且在該條件下，弦線在350.0 Hz處產(chǎn)生明顯的倍頻現(xiàn)象.

圖6 在驅(qū)動頻率175.6 Hz處產(chǎn)生駐波現(xiàn)象

5 結(jié)束語

實驗研究發(fā)現(xiàn)，通過LabVIEW編程控制采集卡收集合成波數(shù)據(jù)并進行頻譜分析，比以往實驗中，學(xué)生只能采用觀察示波器波形大小，用信號源驅(qū)動頻率值作為共振頻率，判斷方法更為科學(xué)和直觀[9]，并且計算出的駐波共振頻率比傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確性略有提升. 實驗程序可以由多個窗口實時處理和顯示數(shù)據(jù)，對學(xué)生的實驗進度提升都有很大幫助. 由于對信號采用了濾波和傅里葉變換，學(xué)生可以更容易深刻理解弦振動實驗原理和函數(shù)關(guān)系，而且更加理解傅里葉變換在實驗工程中的意義.

[1] 楊述武,馬葭生，賈玉民，等. 普通物理實驗(一、力學(xué)及熱學(xué)部分)[M]. 北京:高等教育出版社,2000：180-185.

[2] 張宇亮,趙斌,王茂香. 弦振動實驗中駐波波長的測量方法[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù),2016,14(1):42-45.

[3] 苗錕,黃育紅，李康，等. 弦振動形成駐波的規(guī)律和數(shù)據(jù)的MATLAB處理[J]. 大學(xué)物理實驗,2010,23(4):75-79.

[4] 王力,施蕓誠,楊忠杰,等. 基于LabVIEW的鎖相放大器設(shè)計與測量[J]. 物理實驗,2015,35(9):33-36.

[5] 戴皓挺，倪晨，方凱，等. 基于LabVIEW研究硅光電池特性[J]. 物理實驗,2014,34(10):18-25.

[6] 李紅剛,張素萍. 基于單片機和LabVIEW的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 國外電子測量技術(shù),2014,33(4):62-67.

[7] 王建中,黃林,唐一文. 基于LabVIEW機器視覺的邁克耳孫干涉儀實驗[J]. 物理實驗，2014,34(11):40-42.

[8] 周青云,王建勛. 基于USB接口與LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 實驗室研究與探索,2011,30(8):238-240.

[9] 王榮,牛英煜. 利用弦振動方程研究駐波特性[J]. 實驗室研究與探索,2012,32(7):36-39.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Improving the string vibration instrument with LabVIEW

QU Wen-ge, WANG Ben-yang, WANG Xin-shun

(Physical Experiment Center, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264200, China)

LabVIEW and data acquisition (DAQ) card were used to improve the string vibration instrument. Owing to the advantages of GUI design and function calls of DAQ, the time-domain signal of string vibration and its FFT frequency analysis result were displayed on a computer.

string vibration; LabVIEW; frequency analysis; DAQ card

2016-05-31；修改日期：2016-09-20

曲文葛(1986-)，男，山東榮成人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)大學(xué)物理實驗中心助理工程師，碩士，從事儀器總體技術(shù)研究.

王新順(1966-)，男，河南長垣人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)大學(xué)物理實驗中心副教授，博士，從事激光與物質(zhì)相互作用研究.

O321

A

1005-4642(2017)04-0016-03

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文