谐振管内非线性驻波的有限体积数值算法

为了扩展谐振管内非线性驻波在工程中的应用, 以及克服现有数值计算方法仅局限于求解直圆柱形和指数形谐振管内非线性驻波的问题. 根据变截面的非稳态可压缩热黏性流体Navier-Stokes方程和空间守恒方程, 并基于求解压力速度耦合方程的半隐式算法和交错网格技术, 构建一种能够计算任意形状轴对称谐振管受活塞驱动时内部非线性驻波的有限体积算法. 分别对圆柱形、指数形和圆锥形谐振管内的非线性驻波进行仿真计算. 通过与现有试验结果以及数值仿真结果的对比, 验证了该方法的正确性.并获得除驻波声压之外的另外一些新的物理结果, 包括速度、密度、温度的瞬时变化.在直圆柱形谐振管内产生冲击声压波, 速度波形中出现钉状结构.而在指数形和圆锥形谐振管内产生高声压幅值的驻波, 没有出现冲击波, 速度波形中均未发现钉状结构. 计算结果表明谐振管内非线性驻波的物理属性与谐振管形状之间有密切关系.     

基于LabVIEW的声波谐振管实验研究

为了更高效地测量声波谐振管的谐振频率,本文基于LabVIEW设计了测量声波谐振管谐振频率的扫频程序,分别得到了两端闭管条件下不同管长的谐振频率,以及首端闭管与尾端闭管条件下的谐振频率.此外,还通过绘制管内驻波波形图对声压波腹发生偏离的假设进行了验证.最后,对谐振管管身小孔开闭对谐振频率的影响进行了探究,发现小孔位置越接近驻波的声压波腹,谐振频率的偏离量越大.     

气体火焰驻波在低频段熄火的研究

用驻波函数和伯努利方程推导出火焰驻波管内任意位置的声压方程,并分析了低频时熄火的原因.引入压节(波幅)、压腹(波节)解释了驻波管两端出现高火焰的原因.用全封闭的驻波管完整地呈现了低频段共振点的驻波.     

谐振管谐振频率计算方法的研究

为了准确地计算声谐振管的谐振频率,提出了基于对管内声压分布进行理论模拟的声压模拟法,以及基于驻波最小点位置与管两端声阻抗关系的驻波最小点法。结果表明这两种方法因为考虑了声谐振管两端的声阻对谐振频率的影响,所得谐振频率更加精确、严格,所以特别适用于要求谐振管的谐振频率严格控制的声学领域。同时表明:声压模拟法与驻波最小点法虽然出发点不同,但谐振频率的计算结果完全相同。驻波最小点法计算比较方便,而声压模拟法在计算出谐振频率的同时,还可以给出管中的声压随位置的分布情况。     

在孔脱(Kundt)管中发现的新现象及其分析

演示气柱中形成的纵驻波,以孔脱管实验最简单。但由于软木屑在管内的运动和分布情况比较复杂,要说明软木屑的运动和分布比讲解驻波本身更困难,作为演示实验来说这是不理想的。另外,在一些常见的教科书中,对实验中所出现的现象的描述和解释也往往太粗糙或不确切。因此,有必要对这个实验加以改进和讨论。 采用类似于《大学物理学》[1]所介绍的孔脱管实验装置,经过适当的改进,就可以演示气柱中的纵驻波──既能演示两端封闭的管内的纵驻波,又能演示一端封闭、一端开口的管内的纵驻波。演示效果特别明显。实验中发现了一种有趣的、表征驻波形成…     

液体驻波演示仪的研制和应用

根据驻波形成的原理及其特点,利用MCU,DDS,LPF等产生频率和相位可数控调节、频率稳定性较好的大功率DDS信号源,使用该功率信号驱动由扬声器、声波汇聚器、有机玻璃管和少量液体组成的驻波演示管. 在驻波演示管内,由扬声器发出的行波和反射面形成的反射波干涉形成物理模型清晰的驻波.     

声控发光驻波实验仪 简介

正一、组成和构造如图所示,实验仪由支架、驻波管、声控发光阵列、扬声器、标尺、电源、低频信号发生器、万用电表、声压探头组成。二、实验原理本实验仪器是通过声控发光单元组成的阵列演示声音驻波现象,并通过驻波的长度和频率来测定声速(v=f·λ)。每一个声控发光单元,都由麦克风、放大电路和发光二极管组成。当管端扬声器工作时,调节信号源的频率,可使管內产生稳定的驻波,管内声强随驻波的规律强弱变化。通过內置麦克风采集声音信号来控制对应位置的发光单元,从而使发光二极管发光亮度随驻波规律变化。     

气体柱中纵驻波的演示

本文介绍用煤气火焰演示纵驻波的实验装置。 沿封闭充气管轴向传播的纵波,在管端被反射。如果管长l和波长λ之间满足条件 l=nλ/2。n=1,2,3,…则在管内气柱中,将因入射波和反射波之间的干涉而产生纵驻波。 用图1所示的装置演示气柱中的纵驻波,能给人以深刻印象,并可供一、二百人同时观看。 实验装置和使用情况简述如下:在管子一端密封安装一个扬声器,它由低频讯号发生器通过输出变压器来激励。从管子的另一端导入煤气(或液化石油气),使煤气充满整个管内,并通过管子上边等间距的一排小孔慢慢逸出。将逸出的煤气点燃以后,就产生一排火焰。适当…     

昆特管实验原理分析

根据声学原理对昆特管演示实验进行分析,给出了对实验现象细节的一种物理解释,即在昆特管中除主驻波模式之外还激励起了最低一级高次驻波模式振动,昆特管内的声波场实际上是主驻波模式和最低一级高次驻波模式叠加形成的声波场.     

带热丝的孔脱管演示实验的改进

本支介绍了用带热丝的孔脱管演示气柱中纵驻波的两种实验装置.第一种是美国现在使用的装置;第二种是作者改进的装置.改进后的装置有以下优点: 1.把振源由空气号筒改为电动扬声器,这样一来,就可以在固定管长的条件下,通过调节振源频率的办法,使气柱和振源发生共振,从而能够在管中形成各种不同波长的驻波(而不是一种波长的驻波);而所使用的实验设备更轻便、容易得到. 2.增加了演示反射端为开口的新内容. 3.改善了消音装置──把整个共振系统装在一个消音箱内,使看演示的人不觉得声音太刺耳.一、美国。物理学演示手册》中介绍的实验装置 如图一…     

驻波法测声速实验中峰值强弱交替现象的研究

基础物理系列实验中的声速测定实验对学生理解振动叠加和驻波的相关理论知识有着重要作用.本文针对实验中接收端共振峰值依次出现强弱交替的现象进行了深入的研究和讨论.基于理论分析和数值模拟,通过对几种变量(空气吸收系数αη,界面反射系数γ和反射次数n)分别进行计算分析后,发现上述现象主要是由于超声波在换能器之间多次反射叠加、超声波在空气中传播和在界面反射时发生衰减的共同作用造成,实验条件下的超声波叠加波形已经与简单的驻波模型有较大的差别.     

Matlab GUI在驻波法测声速实验中的应用

结合教学实际,利用Matlab GUI编写了三个程序,分别用来模拟理想驻波的形成、对比合成声场振幅与声压振幅、模拟驻波法测声速。直观形象的演示,既有助于学生理解实验原理,又可以激发他们的学习兴趣。     

液体表面驻波的演示和驻波波长的测量

将液体平铺在透明亚克力平板上,在表面张力的作用下得到均匀的液膜.驱动平板上下振动,在合适的频率下可在液膜表面得到稳定的驻波图样.通过光学方法将驻波图样投影到屏幕上,适当地调制投影光源,可以显示不同相位的驻波峰值图样.利用自制装置演示了不同形状液膜的驻波,测量了驻波波长,并得到液体毛细波的色散关系.     

驻波法之声压极小值测声速研究

传统的驻波干涉法采用声压极大值测声速,受示波器屏幕尺寸限制,灵敏度差.详细分析了驻波共振干涉法测声速的原理,确定了声压极小值测声速的理论依据.用声压极小值法测定了声速,实验结果表明:该方法比声压极大值法更好操作且误差更小.     

固-固界面退化特性的超声反射评价方法

提出了一种基于有限宽超声束反射的固-固界面退化特性评价方法,从理论和数值仿真角度进行了分析和计算。将两固体界面间的薄层简化为界面弹簧模型,以界面法向和切向劲度系数表征界面的退化程度。通过数值计算求得有限宽超声纵波束在不同入射角和界面不同退化程度下的反射横波、反射纵波的镜面反射系数。进一步地,通过建立二维有限元模型,仿真研究了有限宽超声纵波束在给定入射角及界面不同退化程度下镜面反射系数的变化规律。结果表明,反射纵波和反射横波的镜面反射系数随有限宽超声纵波束的入射角及界面劲度系数的改变而变化,且存在镜面反射系数随界面劲度系数单调且敏感变化的入射角,据此可准确评价界面的退化程度。     

可实现多振动合成的驻波演示装置

研制了一组简易的驻波演示仪,可实现多种振动的合成演示,具体包括不同振动方向的波的合成,不同传播方向的波的合成及环形驻波的演示.本文着重介绍了该演示装置的制作技术和演示效果.     

声驻波场中空化泡的动力学特性

以水为工作介质, 考虑了液体的可压缩性, 研究了驻波声场中空化泡的运动特性, 模拟了驻波场中各位置处空化泡的运动状态以及相关参数对各位置处空化泡在主Bjerknes力作用下运动方向的影响. 结果表明: 驻波声场中, 空化泡的运动状态分为三个区域, 即在声压波腹附近空化泡做稳态空化, 在偏离波腹处空化泡做瞬态空化, 在声压波节附近, 空化泡在主Bjerknes 力作用下, 一直向声压波节处移动, 显示不发生空化现象; 驻波场中声压幅值增加有利于空化的发生, 但声压幅值增加到一定上限时, 压力波腹区域将排斥空化泡, 并驱赶空化泡向压力波节移动, 不利于空化现象的发生; 当声频率小于初始空化泡的共振频率时, 声频率越高, 由于主Bjerknes 力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生, 尤其是驻波场液面的高度不应是声波波长的1/4; 当声频率一定时, 空化泡初始半径越大越有利于空化现象的发生, 但当空化泡的初始半径超过声频率的共振半径时, 由于主Bjerknes力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生.     

关于声速测量实验的讨论

对声速测量实验现象提出新的理解途径,认为声压是发射和接收端之间声波无限次反射叠加的结果.在考虑空气中传播损耗,换能器界面反射能损及相位半波损失的情况下,给出接收端测量的声压振动和声波位移振动两者关系,最后得出接收端声压信号随发射、接收端间距变化的具体关系,与具体实验现象符合.     

绳波的演示

针对普通绳不易于课堂演示，笔者制作了绳波演示绳，可较好的演示波的形成、传播、叠加、反射和驻波等．     

DTP平台在大学物理教学中的应用——以驻波为例

驻波是波的干涉的一种特殊情况,也是教学中的一个难点.本文借助大学物理DTP平台设计了一个一维反射驻波,通过平台演示教学,先由波的图像入手建立模型,再借助平台的数值计算和图像处理功能模拟了驻波的形成过程,并对模拟结果进行了讨论.