一种电信号激励下液面法拉第驻波产生方法

1.本发明属于驻波理论及其应用领域，涉及一种电信号激励下液面法拉第驻波产生方法。


背景技术：

2.波动及驻波理论是大学物理的基本教学内容之一，目前大学物理实验中涉及驻波理论的是振动弦驻波实验，在此实验中，仪器只能发挥演示效果，实验者无法对驻波的频率、周期、振动幅值进行精确测量。在实验教学中通常以光为载体展现相应干涉、衍射条纹等实验现象来反映相应的波动理论，实验演示现象通常都是二维结构，并且实验操作繁琐，光路调节难度大、难于直观理解，同时为使实验现象清晰，实验环境需要黑暗、封闭，造成学生眼睛疲劳，空气不通畅等问题。
3.另一方面，目前流体力学中存在流体界面三大不稳定性，即重力与惯性力作用的rayleigh
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taylor不稳定性，界面切向速度差造成的helmholtz不稳定性，及激波与界面相互作用产生的richtmyer
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meshkov（rm）不稳定性，成为流体力学中的研究热点和重要的研究领域之一。液面法拉第驻波是属于典型的rm不稳定性问题，在日常生活和工程普遍存在，如（江或海）水面、湖面、以及池面受到激励信号时，液面产生的波动行为，以及液体输运过程中的液面晃动与共振，微重力作用下燃料舱内液体燃料与机身发生共振导致的飞行轨迹偏移等等。因此，如何理解液面法拉第驻波的形成机理，掌握法拉第驻波液面波动行为模态的变化规律，对于具有重要的现实意义。


技术实现要素：

4.本发明主要目的是提供一种能量传递效率高，结构简单，操作方便，直观性强、趣味性高的法拉第驻波发生方法，用于高校、中小学、及科技馆等实验教学与演示装置行业。
5.本发明的主要构思原理：基于波动理论中波在液体与固体间的传播特性，由信号发射器发出信号，经信号放大器放大，通过示波器对信号频率、电压、波形进行监测并调制，将稳定的电信号传输至换能器，换能器将电信号进行能量转化，并在通过顶部输出垂直激励下的信号波，传输至信号胶状传输层，胶状传输层可直接作用于液体底部（或容器自身底部），并经垂直液面方向的垂直波动与平行于液面方向的横向波动共同作用（各方向波/反射波叠加），在液体表面形成三维法拉第驻波。
6.本发明的有益效果：本发明能够清晰地演示和诠释三维驻波波动现象，便于理解法拉第驻波形成原理，并且操作方便、直观性强、趣味性高、丰富了物理实验实践教学；同时能够进行驻波液面模态行为进行分析，研究液体表面震荡和共振波动现象，避免液体运输中广泛存在的液面波动、及液体与运输罐共振导致的运输安全问题。
附图说明
7.图1为本发明方法所使用的一种装置结构示意图。
8.图2为本发明方法所使用的另一种装置结构示意图。
9.图3为本发明方法所使用的再一种装置结构示意图。
10.图4为本发明方法所产生的单峰效果图。
11.图5为本发明方法所产生的双峰效果图。
12.图6为本发明方法所产生的三峰效果图。
13.图7为本发明方法所产生的四峰效果图。
具体实施方式
14.如图1所示，本发明中所述使用的装置包含信号发射器1，信号发射器1输出端与信号放大器2相连接，信号放大器输入输出端与分别示波器3输入输出端通过导线4相连，用于检测放大前后的电信号，信号放大器2输出端与换能器5正负极相连；换能器顶部6上直接设有胶状信号传输层7，胶状传输层7上方设有容器8，容器内盛有一定厚/深度液体9，该实施例中的胶状传输层7直接作为了容器8底部，也可以如图2所示，容器8底部自带底部，胶状传输层7位于容器8底部，或者是如图3所示，容器8底部宽度大于胶状传输层7宽度。
15.基于上述装置，本发明的方法具体是：信号发射器1发出信号，信号发射器1与信号放大器2连接；放大器放大信号，信号放大器2两端与示波器3正负极相连；示波器3对信号频率、电压、波形进行监测并调制，使放大稳定的电信号传输至换能器5，换能器将电信号进行能量转化，并在通过换能器顶部6输出垂直激励下的信号波，传输至信号胶状传输层7，胶状传输层7可直接作用于液体9底部（或容器8自身底面），并经垂直液面方向的垂直波动与平行于液面方向的横向波动共同作用，在液体表面形成三维法拉第驻波；本发明采用胶状传导层直接作为容器底面，减少了能量在不同介质界面的转换次数，提高了能量传输效率，使形成的液面法拉第驻波结构更加稳定，便于演示观测和测量。
16.所述信号发射器能够产生一定电压、频率信号的正弦型、余弦型、方形、三角形等波形。
17.所述信号发射器发射频率范围为0.5hz至超声波频率。
18.所述换能器种类包含动圈式扬声器、磁式扬声器、静电扬声器、压电扬声器、离子扬声器等。
19.所述胶状传输层用作容器底面或用于消除界面缝隙，可采用聚氨酯橡胶、硅酮胶（玻璃胶）、橡胶、矿脂等胶状材料。
20.所述容器内液体需具有一定最小厚度，最小厚度依据容器结构参数、流体物性、以及激励信号强弱不同而不同。
21.所述容器内产生法拉第驻波的液体须有一定粘度，粘度越大生法拉第驻波结构更稳定，常规液体如水、牛奶、油、墨水等。
22.本发明能通过信号发射器调制不同的电信号频率和电压产生单峰（附图4）、双峰（附图5）、三峰（附图6）、四峰（附图7）、五峰、六峰、八峰等多种驻波模态。
23.其中单峰的调制方法：信号发射器与放大器连接，放大器两端与示波器正负极相连，放大器与换能器正负极通过导线相连，在容器中添加1.3cm厚度的水，调节信号发射器参数为9.8hz，24v，放大器将电压放大50倍，通过示波器确定放大前后信号波形、电压及其稳定度，在容器中央产生单峰法拉第驻波，调节信号发射器的频率和电压直到单峰结构稳
定即可。
24.双峰的调制方法：信号发射器与放大器连接，放大器两端与示波器正负极相连，放大器与换能器正负极通过导线相连，在容器中添加1.3cm厚度的水，调节信号发射器参数为10.8hz，24v，放大器将电压放大50倍，通过示波器确定放大前后信号波形、电压及其稳定度，在容器中央产生双峰法拉第驻波，调节信号发射器的频率和电压直到双峰结构稳定即可。
25.本发明能够生动形象地展示驻波现象，便于理解法拉第驻波形成原理，结构简单、操作方便、直观性强、趣味性高、丰富物理实验实践教学，可广泛应用于高校、中小学、及科技馆等实验教学与演示装置；本发明针对容器内液体表面形成的三维法拉第驻波，还可以利用高速相机或手机对液体表面的三维法拉第驻波进行实时监测与拍摄，利用图像处理软件对液面法拉第驻波表面模态行为过程进行分析，确定三维液面驻波表面模态行为过程，即可获得液面法拉第驻波表面位移分布规律，驻波波形各特征点振动与位移变化规律，进而确定液面法拉第驻波振动频率、周期、峰值、波长，进而获得分析电信号激励频率、电压幅值、液体厚度、粘度等参数对表面驻波振动频率、峰值和波长的影响规律。