杨氏弹性模量的测定

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1、实验七杨氏弹性模量的测定测量材料杨氏模量的方法很多，诸如拉伸法、压入法、弯曲法和碰撞法等。拉伸法是最常用的方法之一。但该方法使用的载荷较大，加载速度慢，且会产生驰豫现象，影响测量结果的精确度。另外，此法还不适用于脆性材料的测量。本实验借助于新颖的动态杨氏模量测量仪用振动法测量材料的杨氏模量。该方法可弥补其不足，同时还可扩大学生在物体机械振动方面的知识面，不失为一种非常有用和很有特点的测量方法。【实验目的】1．了解振动法测量材料杨氏模量的原理；2．学会用作图外推求值法测量振动体基频共振频率和杨氏模量；3.测量试件机械

2、振动的本征值4．观察铝平板的振型；5．通过实验,逐步提高综合运用各种测量仪器的能力。【实验仪器】DY-D99型多用途动态杨氏模量测量仪、YXY-3D型音频信号源、示波器（Y轴灵敏度5-10mV)、毫米刻度钢皮尺(250mm长)、0.02mm精度游标卡尺、物理天平（精度0.05克）。DY-D99型多功能动态杨氏模量测量仪简介图3DY-D99型多功能动态杨氏模量测量仪1电动式激振器、6电动式拾振器、2试件（圆棒）、17试件（金属铝板）、3、5刀口、26导轨标尺、9标尺支架、25试件压板、24压板固定螺钉、10接线箱、1

3、1试件选择旋钮、12输入接口、13输出接口、22声整流罩、19发声元件、18小导轨、20声激振器固定螺钉、14-16水平调节螺钉、4刻度指示板、8备用试件安放支架、7试件限位装置、23底板该仪器如图3所示。它由棒材试件杨氏模量定量测量装置和板材试件振型演示观察装置两部分组成。两部分用接线箱连接和转换。前一装置包含两个换能器（电动式换能器）、导轨标尺及其支架。其中一个电动式换能器用作激振器，在音频信号发生器输出的音频正弦信号电压的作用下，作机械振动，进而激励试件作机械振动。另一个电动式换能器当作拾振器，将由试件传递过

4、来的机械振动信号转变为电信号，并输到示波器观察波形。当音频信号发生器的信号频率调到与试件的固有频率相同时，试件产生共振，示波器显示的波形幅度达到最大。两个换能器的作用可互换。它们各自设有一个刀口，可搁置棒材试件。标尺用于指示换能器或刀口在试件上的位置。矩形金属板试件和带有声整流罩的声激振器是振动体振型演示观察装置的基本组成部分。声激振器在音频信号电压的作用下，通过声压，激励板材试件振动。当音频信号发生器的信号电压频率达到板材试件的某一阶谐振频率时，则均匀撒在板表面的沙粒形成一个相应的振型图案。【实验原理】一、振动法

5、测杨氏模量的物理基础振动法测杨氏模量是以自由梁的振动分析理论为基础的。两端自由梁振动规律的描述要解决两个基本问题：即固有频率和固有振型函数。本实验只讨论前一个问题，然后以此为基础，导出杨氏模量的计算公式。当图1所示的均质等截面两端自由梁作横向振动时，其振动方程为(1)其中为杨氏模量，为惯性矩，m0为单位长度质量。图1两端自由梁的基频振动方程（1）可用分离变量法求解。令(2)代入方程（1），并经整理得（3）由于上式中的、和、既非的函数，亦非的函数，而是等于一个常数（称为分离常数），即（4）于是由上式可得到两个独立的常

6、微分方程：（5）(6)这两个线性常微分方程的解分别为（7）（8）两端自由梁弯曲振动方程的通解为(9)对于两端自由梁，如果搁置试件的两个刀口处在试件的节点附近，则边界条件为：两自由端的横向作用力-,两自由端的弯矩,即：（10）将通解代入上式表示的边界条件，则得：（11a）（11b）由前两式可得代入后两式得：（12）的非零解的条件是判别行列式等于零：（13）由上式可解得两端自由梁的频率方程为（14）用数值解法可求得上式的第一阶振型的根为：（15）由此可得两端自由梁的一阶固有圆频率(又称基频频率)为（16）式中=22.3

7、8称为自由梁的第一阶振型系数。对于不同阶的振型，有不同的值。第一阶振型图如图1所示。由图可见，在这一状态下，试件有两个节点，它们分别在离试件端面的0。224和0。776处。根据上式,可得杨氏模量的计算公式：(17)对于等圆截面试件，应有以及,考虑到上述诸因数后，(17)式变为(18)这就是振动法测杨氏模量的计算公式。式中的l,d和m分别圆截截面试件的长度、直径和质量，f为试件的振动频率。【测量方法】振动法测量杨氏模量的实验装置如图2所示。圆截面试件搁在两个距离可调的刀口上。刀口之间的距离大致为试件两个节点之间的距离

8、。将低频信号发生器输出的等幅电信号加到与试件相接触的压电晶体激振器上，使电信号变为压电晶体激振器的机械振动，通过激振器刀口传到试件上，激励试件作受迫振动。在两端自由梁的另一位置设置了一个压电晶体拾振器，它可把试件的机械振动转变为电信号。该信号经放大后，传输到示波器和数字电压表，用以显示振动波形和振动信号的大小。压电晶体激振器1输入电信号的频率可在低频信号发生