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摘要：設計了適合2人完成的橋梁振動實驗，介紹了橋梁振動實驗的內容，闡述了橋梁構造的設計原理和測量共振頻率的方法，并分析了小車運動時橋梁的受力情況．該實驗培養了學生的團結合作能力和動手能力．
關鍵詞：振蕩器；橋梁共振；數據采集器
1橋梁構造的設計
橋梁振動實驗要求1個實驗小組完成橋梁的搭建，在橋梁上的關鍵點接入傳感器，將傳感器接入PASCO的850數據采集器，并連接到計算機上做實時數據分析，求出共振點，并測出橋梁在小車經過時橋梁的受力情況，以便在設計橋梁時重點考慮．依據我校學生的實際情況，1組實驗為2～3名學生在3～4h完成，除了搭建橋梁外，還要進行數據采集和數據處理分析等，為此經過多次測試選擇了如圖1所示的橋梁結構．
2共振頻率的測量
設計橋梁時必須掌握共振點的共振頻率，在橋梁上的關鍵點接入2～3個傳感器，最多接5個傳感器，沿橋梁跨度等間隔放置，通過集中器連接到PASCO的850數據采集器，并連接到計算機中，如圖1所示，傳感器對振動進行檢測．放置振動器，振動器是由信號發生器帶動并且由橡皮粘貼到橋梁上，振動器做正弦運動時對橋梁進行推拉．橋梁出現晃動，傳感器將橋梁晃動的信息傳給計算機，在安裝的Capstone軟件中，創建帶有2個圖形區的FFT顯示框，挑選出2個負載單元中每個元件的受力情況創建2個Run－Tracked用戶輸入數據表，命名為“Res．頻率1”和“Res．頻率2”，分別代表了每個負載單元的共振頻率．首先用手或錘子敲擊橋粱頂部或中間位置3次，產生的諧振模式，對產生的振動做FFT變換，找到單個振動點振動頻率，然后振動器以較小的振動點振動頻率做正弦運動對橋梁進行推拉，如果出現連續2次“Res．頻率1”和“Res．頻率2”都相等，如圖2所示的5．498Hz，就是找到1個橋梁的共振頻率，需要連續找3個這樣的共振頻率．
3小車運動時橋梁受力情況測量
移去振動器，將傳感器接入橋梁被測處的橫桿位置，使小車運動后，傳感器接收到如圖3所示的數據．小車經過3．535s到第1個傳感器受力為0．59N，經過3．620s到第2個傳感器受力為0．51N．實驗可以測出橋梁不同點的受力情況．
4實驗分析
可以對橋梁引入缺陷測試，例如重新移動1根或多根工字型梁，然后重復實驗，觀察橋梁振動的變化，可以發現共振頻率不同，即橋梁的共振頻率可以改變．當振動頻率在共振頻率時，橋梁振動幅度較大．該實驗可根據我校學生的實際情況自行設計成2人1組的新實驗，也可多人1組，還也可以將多套設備放在一起設計成綜合性實驗．實驗的開設開闊了學生視野，培養了學生的團結合作能力和動手能力，擺脫了傳統的“一機一項目”的陳舊模式，學生可以根據具體實驗和研究內容自由搭配和組合，方便利用現有設備對新問題和新現象進行實驗設計和探索；同時所有測量均通過數字化方式進行，通過數據采集設備直接輸入微機，并且對實驗結果進行實時采集、監控和分析．我校2016級學生盧浩琳、李浩洋等5位學生用橋梁組件和傳感器等設計了新的實驗，該實驗在參加學校組織的物理實驗比賽中獲得了一等獎第三名的好成績．該實驗也是學生最受歡迎的實驗之一．
參考文獻：
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［2］羅志高，賀奇才，李曉原，等．綜合性大學物理實驗［M］．北京：人民郵電出版社，2018．
［3］石梅香．基于AD7657的鐵路橋梁檢測數據采集系統設計［J］．實驗室研究與探索，2011（2）：70－73.
作者:羅志高 張錦 單位:中山大學
