PL217048B1

PL217048B1 - Device for visualization of complex vibrations

Info

Publication number: PL217048B1
Application number: PL388906A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Bednarek; Jerzy Krysiak
Original assignee: Univ Łódzki
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2014-06-30
Also published as: PL388906A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, mające zastosowanie w pracowniach fizycznych do badana toru ciała, uczestniczącego jednocześnie w dwóch wzajemnie prostopadłych ruchach drgających.The subject of the invention is a device for visualization of complex vibrations, applicable in physics laboratories for examining the body path, simultaneously participating in two mutually perpendicular vibrating movements.

Urządzenia do wizualizacji drgań złożonych znane są z książki Tadeusza Dryńskiego, pt. „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1964 r. Pierwsze z tych urządzeń stanowi podwójne wahadło sporządzone z linek, przy czym każde wahadło złożone jest z dwóch linek przywiązanych tak, że tworzą one kształt litery V. Górne wahadło zawieszone jest na poziomej porzeczce statywu, a dolne przywiązane do poziomej listewki podwieszonej do zwisających końców linek wahadła górnego. Do dolnego wahadła przywiązany jest lejek wypełniony drobnym, suchym piaskiem, a pod zamkniętym początkowo wylotem lejka ułożona została pozioma płyta. Działanie urządzenia potęga na tym, że oba wahadła wprawia się w drgania w kierunkach wzajemnie prostopadłych przez odchylenie ich od pionu i puszczenie swobodne oraz otwiera wylot lejka. Skutkiem tego, oba z wahadeł zostają wprawione w drgania harmoniczne, tłumione, a lejek porusza się ruchem drgającym złożonym. Wysypujący się z lejka cienki strumień piasku znaczy tor ruchu lejka na poziomej płycie. Częstotliwość drgań obu wahadeł można regulować przez zmianę długości linek tworzących każde z wahadeł.Devices for visualization of complex vibrations are known from the book by Tadeusz Dryński, entitled "Demonstration experiments in physics", published by the State Scientific Publishers in Warsaw in 1964. The first of these devices is a double pendulum made of lines, each pendulum consisting of two lines tied in such a way that they form a V-shaped upper pendulum. It is suspended on a tripod's horizontal currant, and the lower ones are tied to a horizontal slat suspended to the hanging ends of the upper pendulum lines. A funnel filled with fine, dry sand is tied to the lower pendulum, and a horizontal plate was placed under the initially closed funnel outlet. The operation of the power device is caused by the fact that both pendulums are made to vibrate in mutually perpendicular directions by deflecting them from the vertical and releasing them freely, and opening the funnel outlet. As a result, both of the pendulums are set in harmonic vibrations, damped, and the funnel moves in a compound vibrating motion. A thin stream of sand pouring out of the funnel marks the funnel's path on a horizontal plate. The vibration frequency of both pendulums can be regulated by changing the length of the lines making up each of the pendulums.

Inne, znane z książki Tadeusza Dryńskiego urządzenie do wizualizacji drgań złożonych stanowi podwójne wahadło, utworzone z dwóch rurek podwieszonych za górny koniec do poziomej poprzeczki statywu i połączonych przegubowo za pomocą przegubu Cardana. Na końcu dolnej rurki zamocowany jest początkowo zamknięty lejek z drobnym, suchym piaskiem, a pod lejkiem znajduje się pozioma zamknięta taśma nałożona na dwie rolki. Działanie urządzenia polega na tym, że wahadła wprawia się w drgania w kierunkach wzajemnie prostopadłych lub równoległych przez odchylenie od pionu i puszczenie swobodne oraz otwiera wylot lejka. W wyniku tego, wahadła zaczynają wykonywać drgania harmoniczne, tłumione, a lejek bierze udział w ruchu drgającym, złożonym dwóch drgań w kierunkach wzajemnie prostopadłych lub równoległych. Piasek wysypujący się z lejka znaczy tor ruchu tych drgań złożonych na taśmie, przy czy w przypadku drgań, odbywających się w tych samych kierunkach taśma jest przesuwana ruchem jednostajnym, co powoduje wykreślenie przez wysypujący się piasek zależności zmian tych drgań od czasu.Another device for visualization of complex vibrations, known from Tadeusz Dryński's book, is a double pendulum, made of two tubes suspended from the upper end to the tripod's horizontal crossbar and articulated with a cardan joint. At the end of the lower tube, an initially closed funnel with fine, dry sand is attached, and under the funnel there is a horizontal closed tape applied to two rolls. The operation of the device is based on the fact that the pendulums are made to vibrate in mutually perpendicular or parallel directions by deflection from the vertical and free release, and opens the funnel outlet. As a result, the pendulums begin to perform harmonic, damped vibrations, and the funnel participates in the oscillating, complex motion of two vibrations in mutually perpendicular or parallel directions. The sand pouring out of the funnel marks the path of these vibrations combined on the belt, and in the case of vibrations taking place in the same directions, the belt is moved with a uniform movement, which causes the falling sand to plot the dependence of these vibrations changes with time.

Także z książki Tadeusza Dryńskiego znane jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, Zbudowane jest ono z prostokątnej, pionowej ramki, do której przymocowane są dwie płaskie sprężyny. Na końcach każdej z nich umieszczone jest małe, płaskie zwierciadło. Jedna ze sprężyn przymocowana została do ramki poziomo, a druga pionowo. Obok układu sprężyn znajduje się źródło światła, wysyłające promień świetlny, skierowany tak, że pada on na jedno ze zwierciadeł, odbija się od niego i pada na drugie zwierciadło, od którego również ulega odbiciu i w końcu pada na pionowy ekran umieszczony obok urządzenia. Działanie urządzenia polega na tym, że włącza się źródło światła, odchyla sprężyny ze zwierciadłami od położenia równowagi i puszcza swobodnie. W wyniku tego, każde ze zwierciadeł wykonuje drgania harmoniczne tłumione wokół położenia równowagi, przy czym kierunki tych drgań są wzajemnie prostopadłe. Promień światła padający na zwierciadła ulega odchyleniu o pewien kąt od początkowego kierunku przez każde ze zwierciadeł i w wyniku tego jego wypadkowe odchylenie odpowiada przemieszczeniu punktu wykonującego drgania złożone w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Przemieszczenie tego promienia jest obserwowane na ekranie, jako obraz toru ciała wykonującego drgania złożone.A device for visualization of complex vibrations is also known from the book by Tadeusz Dryński. It is built of a rectangular, vertical frame to which two flat springs are attached. At the ends of each of them there is a small, flat mirror. One of the springs is attached to the frame horizontally and the other vertically. Next to the set of springs there is a light source that sends a light beam directed so that it falls on one of the mirrors, reflects off it and falls on the other mirror, from which it is also reflected and finally falls on the vertical screen placed next to the device. The device works by switching on the light source, deflecting the springs with mirrors from the equilibrium position and releasing freely. As a result, each of the mirrors performs harmonic vibrations damped around the equilibrium position, the directions of these vibrations being mutually perpendicular. The light ray incident on the mirrors is deflected by a certain angle from the original direction by each of the mirrors and consequently its resultant deflection corresponds to the displacement of the point carrying the composite vibrations in mutually perpendicular directions. The displacement of this ray is observed on the screen as an image of the path of the body performing complex vibrations.

Znane z książki Tadeusza Dryńskiego urządzenie do wizualizacji drgań złożonych zbudowane jest ze sprężystego płaskownika, zgiętego pod kątem prostym i przymocowanego dolnym końcem do brzegu stołu. Jeden odcinek tego piaskownika ma kierunek pionowy, a drugi poziomy. Na końcu poziomego odcinka przewodnika umocowane jest małe płaskie zwierciadło. Obok płaskownika znajduje się źródło światła, emitujące promień świetlny, który pada na zwierciadło i odbija się od niego, a następnie pada na pionowy ekran, dając świecącą plamkę. Działanie urządzenia polega na tym, że oba odcinki płaskownika odchyla się od ich położeń równowagi i puszcza swobodnie, przez co zaczynają one wykonywać drgania harmoniczne, tłumione, a zwierciadło uczestniczy w ruchu drgającym złożonym i odchyla padający na nie promień. Odchylenie to odpowiada przemieszczeniu ciała wykonującego drgania złożone, co uwidacznia się ekranie w postaci ruchu plamki kreślącej tor drgającego zwierciadła.The device for visualizing complex vibrations, known from Tadeusz Dryński's book, is made of an elastic flat bar, bent at right angles and attached with its lower end to the edge of the table. One section of this sand trap is vertical and the other is horizontal. A small flat mirror is fixed at the end of the horizontal section of the conductor. Next to the flat bar, there is a light source that emits a light beam that falls on the mirror and reflects off it, and then falls on a vertical screen, producing a glowing spot. The operation of the device is based on the fact that both sections of the flat bar deviate from their equilibrium positions and let go freely, so that they begin to perform harmonic, damped vibrations, and the mirror participates in a complex vibrating motion and deflects the ray incident on them. This deviation corresponds to the displacement of the body performing complex vibrations, which is visible on the screen in the form of a motion of a spot delineating the path of the vibrating mirror.

PL 217 048 B1PL 217 048 B1

Również Tadeusz Dryński w cytowanej książce ujawnia znane urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, wykonane z pionowo ustawionego i zamocowanego za dolny koniec sprężystego płaskownika, który w pewnej odległości od punktu zamocowania skręcony jest wokół pionowej osi o kąt 90°. Do górnego końca tego płaskownika przymocowane jest małe, płaskie zwierciadło ustawione pod kątem 43° do osi pionowej tego płaskownika. Obok płaskownika znajduje się źródło światła i pionowy ekran, przy czym źródło to wysyła promień świetlny, padający na zwierciadło i odbijający się od niego a następnie padający na ekran i dający na nim świecącą plamkę. Działanie urządzenia polega na tym, że odcinek płaskownika, znajdujący się poniżej skręcenia odchyla się od pionu w kierunku prostopadłym do jego płaskiej powierzchni i w taki sam sposób odchyla się odcinek płaskownika znajdujący się powyżej skręcenia. Następnie, oba odcinki puszcza się swobodnie i wykonują one drgania harmoniczne tłumione w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Zwierciadło natomiast, porusza się ruchem drgającym złożonym i odchyla padający na nie promień świetlny tak, że przemieszcza się on po ekranie kreśląc tor ruchu ciała, biorącego udział w tych drganiach.Also, Tadeusz Dryński in the cited book discloses a known device for visualization of complex vibrations, made of a vertically positioned and fixed at the lower end of an elastic flat bar, which is twisted around a vertical axis by an angle of 90 ° at a distance from the mounting point. A small, flat mirror is attached to the upper end of this flat bar, set at an angle of 43 ° to the vertical axis of the flat bar. Next to the flat bar there is a light source and a vertical screen, the source of which sends a light beam that falls on the mirror and reflects from it, and then falls on the screen and gives a glowing spot on it. The operation of the device is based on the fact that the section of the flat bar located below the twist deviates from the vertical in the direction perpendicular to its flat surface and the section of the flat bar located above the twist deflects in the same way. Then, both sections are released freely and they perform harmonic vibrations damped in mutually perpendicular directions. The mirror, on the other hand, moves with a complex oscillating motion and deflects the light ray falling on it so that it moves along the screen, tracing the path of the body's movement taking part in these vibrations.

Znane urządzenie do wizualizacji drgań złożonych ujawnione jest również w książce Richard'a Manliffe Sutton'a, pt. „Demonstration Experiments in Physics”, wydanej przez wydawnictwo McGraw-Hill Book Company, Inc. w Nowym Jorku i w Londynie w 1938 r. Urządzenie to składa się z dwóch sprężystych prętów ustawionych pionowo i połączonych ze sobą, przy czym dolny koniec niżej umieszczonego pręta zamocowany jest w imadle, a górny koniec wyżej umieszczonego pręta zaopatrzony został w zwierciadło płaskie. Oprócz tego, obok układu prętów znajduje się źródło światła, wysyłające promień świetlny, który pada na zwierciadło oraz na ekran, na którym zaznacza się plamka świetlna po odbiciu promienia od zwierciadła. Działanie tego urządzenia jest takie samo, jak działanie urządzenia do wizualizacji drgań z płaskownikiem skręconym wokół pionowej osi o kąt 90° opisanego w książce Tadeusza Dryńskiego.A well-known device for visualizing complex vibrations is also disclosed in Richard Manliffe Sutton's book "Demonstration Experiments in Physics", published by McGraw-Hill Book Company, Inc. in New York and London in 1938. The device consists of two elastic bars arranged vertically and connected to each other, the lower end of the lower bar is mounted in a vice, and the upper end of the above-placed bar is provided with a flat mirror. In addition, next to the rod system, there is a light source that sends a light ray that falls on the mirror and on a screen on which a light spot is marked after the ray is reflected from the mirror. The operation of this device is the same as the operation of the vibration visualization device with a flat bar twisted around a vertical axis by an angle of 90 °, described in the book by Tadeusz Dryński.

Także znane urządzenie do wizualizacji drgań złożonych ujawnione jest na stronie internetowej Uniwersytetu Minnesota (USA) o adresie http://www.physics.umn.edu/groups.demo_gifs/3A80.GIF.Also a known complex vibration visualization device is disclosed on the website of the University of Minnesota (USA) at the address http://www.physics.umn.edu/groups.demo_gifs/3A80.GIF.

Urządzenie to składa się z oscyloskopu katodowego z wyłączoną postawą czasu, a do wejścia odchylania w kierunku osi pionowej tego oscyloskopu oraz do wejścia zewnętrznej podstawy czasu dołączone są dwa generatory funkcyjne. Sygnały drgań elektrycznych, pochodzące z tych generatorów powodują odchylenie kierunku ruchu strumienia elektronów, który przez to porusza się ruchem drgającym złożonym z drgań w kierunkach wzajemnie prostopadłych i tor tego ruchu zostaje uwidoczniony w postaci świecącej linii na ekranie oscyloskopu, wytworzonej w wyniku jego luminescencji pod wpływem padających elektronów.The device consists of a cathode ray oscilloscope with the time base turned off, and two function generators are connected to the vertical axis deflection input of the oscilloscope and to the outer time base input. Electric vibration signals from these generators cause a deflection in the direction of the electron beam, which then moves with a vibrating motion consisting of vibrations in mutually perpendicular directions, and the path of this movement is visible in the form of a shining line on the oscilloscope screen, created as a result of its luminescence under the influence of incident electrons.

Również na stronie internetowej Uniwersytetu Minnesota o adresie http://www.physics.umn.edu/groups.demo_gifs/3A10.GIF ujawnione jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, stanowiące podwójne wahadło sporządzone z linek i lejka z piaskiem, zbudowane tak samo i tak samo działające, jak podwójne wahadło zbudowane z linek tworzących kształt litery V, znane z cytowanej książki Tadeusza Dryńskiego.Also on the website of the University of Minnesota at http://www.physics.umn.edu/groups.demo_gifs/3A10.GIF a complex vibration visualization device is disclosed, consisting of a double pendulum made of strings and a funnel with sand, constructed in the same and the same as the double pendulum made of lines forming the shape of the letter V, known from the quoted book by Tadeusz Dryński.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych znane jest także z opisu patentowego nr 781 090, wydanego przez Urząd Patentowy Związku Radzieckiego w 1980 r. Znane urządzenie składa się z dwóch nieruchomych, wzajemnie prostopadłych prowadnic, po których mogą przesuwać się dwie karetki z umieszczonymi w nich końcami dwóch linijek połączonych ze sobą dwiema krzyżującymi się tulejkami, połączonymi wspólną osią z nakrętką zaciskową. Do osi tych tulejek przymocowany jest przyrząd piszący. Prowadnice przymocowane są do płyty, a na jej brzegach przeciwległych do prowadnic znajdują się dwa współśrodkowe zestawy kół połączone przekładnią pasową. Do osi każdego z tych zestawów przymocowana jest prowadnica ze szczeliną, w której może poruszać się suwliwie kołek tulejki nałożonej na linijkę. Zasada działania znanego urządzenia polega na tym, że pas przekładni nakłada się na koła o wybranych średnicach, których stosunek odpowiada stosunkowi częstotliwości drgań składowych. Jedno z kół wprawia się ruch obrotowy, co przez przekładnię pasową powoduje również ruch obrotowy drugiego koła i przesuwanie się prowadnic oraz skrzyżowanych tulejek z przyrządem piszącym, który uczestniczy w ruchu drgającym złożonym, a przyrząd piszący kreśli tor tego ruchu na arkuszu papieru umieszczonym na podstawie urządzenia. Jeżeli, krzyżujące się tulejki tworzą kąt prosty, to przyrząd wizualizuje drgania, zachodzące w kierunkach wzajemnie prostopadłych a jeżeli kąt ten jest inny, niż prosty to wizualizowane są drgania zachodzące w kierunkach ukośnych.The device for visualization of complex vibrations is also known from the patent description No. 781 090, issued by the Patent Office of the Soviet Union in 1980. The known device consists of two stationary, mutually perpendicular guides, on which two carriages can slide with the ends of two rulers connected with each other by two crossing sleeves, connected by a common axis with the clamping nut. A writing instrument is attached to the axis of these sleeves. The guides are attached to the plate, and on its edges opposite the guides there are two concentric sets of wheels connected by a belt transmission. A guide with a slot is attached to the axis of each of these sets, in which a pin of a sleeve placed on a ruler can move slidably. The principle of operation of the known device is based on the fact that the transmission belt is placed on wheels of selected diameters, the ratio of which corresponds to the ratio of the frequency of the component vibrations. One of the wheels is set in rotation, which, through the belt transmission, also causes the rotation of the other wheel and the sliding of the guides and crossed sleeves with the writing instrument, which participates in the complex vibrating movement, and the writing instrument traces the path of this movement on a sheet of paper placed on the base of the device . If the intersecting sleeves form a right angle, the device visualizes the vibrations occurring in mutually perpendicular directions, and if the angle is different than straight, then the vibrations occurring in oblique directions are visualized.

Jeszcze inne urządzenie do wizualizacji drgań złożonych znane jest z opisu patentowego nr 5 526 076, wydanego przez Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych w 1996 r. Urządzenie to ma kształt pudełka zbliżonego do prostopadłościanu i zaopatrzonego od góry w rękojeść, a z przoduYet another device for visualizing composite vibrations is known from Patent Specification No. 5 526 076, issued by the United States Patent Office in 1996. This device has the shape of a box similar to a cuboid and provided with a handle at the top and a handle at the front.

PL 217 048 B1 w ukośnie ustawione, przezroczyste okienko. Wewnątrz pudełka w jego tylnej części znajduje się źródło światła w postaci żarówki zasilanej z dwóch cylindrycznych baterii połączonych z żarówką i ze sobą szeregowo poprzez umieszczony od góry pudełka wyłącznik. Przed żarówką znajduje się soczewka skupiająca, która działa jak kondensor i formuje światło wychodzące z żarówki w wąską, równoległą wiązkę. Wiązka ta przechodzi następnie przez kołową tarczę z barwnymi przesłonami zamocowaną na osi i pokręcaną z zewnątrz pudełka za jej wystający fragment. Przesłony te spełniają rolę filtrów optycznych, powodując zmianę barwy wiązki światła. Wewnątrz pudełka, w jego przedniej części, znajdują się dwa płaskie zwierciadła prawie równoległe do siebie i zwrócone ku sobie powierzchniami odbijającymi. Zwierciadła te przymocowane są do obudowy za pomocą spiralnych, śrubowych sprężyn, a ich położenie można zmieniać ręką przez nacisk na wystające na zewnątrz obudowy fragmenty zwierciadeł. Działanie przyrządu polega na tym, że wyłącznikiem zamyka się obwód elektryczny żarówki, w wyniku czego zaczyna ona świecić, a wysyłane przez nią światło daje wąską, równoległą i barwną wiązkę, która pada kolejno na zwierciadła, odbija się od nich i wychodzi na zewnątrz przez okienko dając barwną plamkę na ekranie lub innej powierzchni. Poprzez nacisk na wystające z obudowy części zwierciadeł i ich swobodne puszczenie zostają one wprawione w drgania harmoniczne tłumione i powodują odchylenie plamki na ekranie, która wykonuje drgania złożone i uwidacznia ich tory. Amplitudę, fazę i kierunek tych drgań można zmieniać przez zmianę miejsca, siły i czasu nacisku na wystające części zwierciadeł.PL 217 048 B1 into an oblique transparent window. Inside the box, in its rear part, there is a light source in the form of a light bulb powered by two cylindrical batteries connected to the bulb and with each other in series through a switch on the top of the box. There is a focusing lens in front of the bulb which acts as a condenser and forms the light coming from the bulb into a narrow, parallel beam. This beam then passes through a circular disc with colored shutters mounted on the axis and screwed from the outside of the box by its protruding fragment. These shutters act as optical filters, causing the color of the light beam to change. Inside the box, in its front part, there are two flat mirrors almost parallel to each other and with their reflecting surfaces facing each other. These mirrors are attached to the housing by helical, helical springs, and their position can be changed by hand by pressing on the mirrors protruding outside the housing. The operation of the device is based on the fact that the switch closes the electric circuit of the bulb, as a result of which it starts to shine, and the light emitted by it gives a narrow, parallel and colored beam which falls successively on the mirrors, reflects off them and goes out through the window giving a color spot on the screen or other surface. By pressing on the mirror parts protruding from the housing and their free release, they are induced into harmonic vibrations damped and cause the deflection of the spot on the screen, which performs complex vibrations and makes their paths visible. The amplitude, phase and direction of these vibrations can be changed by changing the place, force and time of pressure on the protruding parts of the mirrors.

Także z opisu patentowego nr JP 4 034 374, wydanego przez Japoński Urząd Patentowy w 1992 r. znane jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, odbywających się w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Urządzenie to składa się z oscyloskopu katodowego, a do jego zacisków odchylania poziomego przyłączony jest bezpośrednio generator, wytwarzający napięcie sinusoidalne. Do wyjścia tego samego generatora przyłączony został przesuwnik fazy oraz powielacz częstotliwości. Napięcie sinusoidalne po przejściu przez ten przesuwnik i powielacz przykładane jest do zacisków odchylania pionowego oscyloskopu. W wyniku tego, wiązka elektronów znajduje się w wykonującym złożone drgania polu elektrycznym i wytwarza na ekranie oscyloskopu katodowego świecącą plamkę, przesuwającą się tak, że obrazuje ona przebieg tych drgań.Also, from the patent description No. JP 4 034 374, issued by the Japanese Patent Office in 1992, a device for visualizing complex vibrations taking place in mutually perpendicular directions is known. This device consists of a cathode ray oscilloscope and a generator is directly connected to its horizontal deflection terminals, producing a sinusoidal voltage. A phase shifter and a frequency multiplier are connected to the output of the same generator. The sinusoidal voltage after passing through this shifter and multiplier is applied to the vertical deflection terminals of the oscilloscope. As a result, the electron beam is placed in an electric field that carries out complex vibrations and produces a shining spot on the screen of a cathode oscilloscope, moving so as to show the course of these vibrations.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku składa się z diody laserowej, zasilanej napięciem stałym, umieszczonej w obudowie. Dioda wysyła monochromatyczny promień światła, obrazujący tor ruchu drgającego ciała na ekranie prostopadłym do kierunku promienia. W jego skład wchodzą także dwa sprzężone mechanicznie głośniki elektrodynamiczne, korzystnie nisko- lub średniotonowe, z których jeden ma dużą moc, a drugi mniejszą. Obudowa diody laserowej przymocowana jest do lekkiej kołyski osadzonej na osi ułożyskowanej na końcach w dwóch łożyskach tocznych. Zewnętrzne pierścienie tych łożysk osadzone są w kątowych wspornikach przymocowanych do brzegu kosza głośnika o mniejszej mocy, którego membrana połączona jest za pomocą łącznika, zaopatrzonego od dołu w pierścień, przyklejony do środkowej części tej membrany, a od góry wyposażonego w ucho, nałożone na łożysko toczne. W jego wewnętrznym pierścieniu osadzona jest oś połączona z końcem kołyski, znajdującym się bliżej środka membrany głośnika, który zamocowany jest współosiowo w uchwycie mogącym obracać się na łożysku tocznym osadzonym na pionowym pręcie połączonym prostopadłe z podstawą. Uchwyt zaopatrzony jest od dołu w mimośrodowo usytuowany sworzeń, na którym osadzone jest łożysko toczne. Na łożysko nałożone jest ucho sprzęgacza równoległego do podstawy. Sprzęgacz z przeciwnej strony zakończony został kabłąkiem przyklejonym do membrany głośnika o dużej mocy. Membrana ta jest korzystnie wycięta w części zewnętrznej, a głośnik umieszczony jest w obejmie połączonej radialnie z prętem przymocowanym prostopadle do podstawy.The device for visualizing composite vibrations according to the invention consists of a laser diode powered by a direct voltage, placed in a housing. The diode sends a monochrome beam of light, showing the path of the vibrating body's movement on a screen perpendicular to the direction of the beam. It also includes two mechanically coupled electrodynamic drivers, preferably woofers or midrange drivers, one of which is powerful and the other is less powerful. The housing of the laser diode is attached to a light cradle mounted on an axis mounted at its ends in two rolling bearings. The outer rings of these bearings are embedded in angular brackets attached to the edge of the basket of a less powerful loudspeaker, the diaphragm of which is connected by means of a connector, provided with a ring at the bottom, glued to the central part of the diaphragm, and equipped with an eyelet on the top, placed on a rolling bearing . In its inner ring there is an axle connected to the end of the cradle, located closer to the center of the loudspeaker diaphragm, which is mounted coaxially in a handle that can rotate on a rolling bearing mounted on a vertical rod connected perpendicularly to the base. The handle has an eccentrically positioned pin on which a rolling bearing is mounted at the bottom. The bearing of the coupler parallel to the base is placed on the bearing. The coupler ends on the opposite side with a bow glued to the diaphragm of a high-power speaker. The diaphragm is preferably cut in the outer part, and the loudspeaker is placed in a clamp connected radially to a rod attached perpendicular to the base.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku pozwala na długotrwałą obserwację niegasnących i stabilnych drgań złożonych. Zaletą jest również fakt, że drgające elementy są dobrze widoczne, co zapewnia poglądowość wykonywanych doświadczeń. Użyta w urządzeniu dioda laserowa zapewnia otrzymanie wyraźnego obrazu drgań o dużych rozmiarach na ekranie, co daje w prosty sposób dobrą widoczność dla licznej grupy osób, np. podczas wykładu. Zastosowanie elektronicznych generatorów funkcyjnych lub dodatkowo przesuwnika fazy oraz powielacza częstotliwości umożliwia precyzyjne zadawanie częstotliwości, amplitudy i fazy niezależnie dla każdego kierunku drgań oraz badanie drgań o różnych zależnościach wychylenia od czasu, np. trójkątnym, czy prostokątnym, a nie tylko zależności sinusoidalnych, jak w przypadku drgających sprężyn i wahadeł. Ponadto, użycie w urządzeniu głośników elektrodynamicznych eliminuje wpływ zniekształceń nieliniowych podczas przetwarzania sygnałów elektrycznych na ruch świecącej plamki na ekranie. Dodatkową zalePL 217 048 B1 tą urządzenia według wynalazku jest prosta i przejrzysta konstrukcja oraz zastosowanie tanich i łatwo dostępnych podzespołów, którymi są głośniki elektrodynamiczne i dioda laserowa.The device for visualization of complex vibrations according to the invention allows for long-term observation of still and stable compound vibrations. Another advantage is the fact that the vibrating elements are clearly visible, which ensures the visibility of the performed experiments. The laser diode used in the device provides a clear image of large-scale vibrations on the screen, which in a simple way provides good visibility for a large group of people, e.g. during a lecture. The use of electronic functional generators or, additionally, a phase shifter and a frequency multiplier, enables precise setting of frequency, amplitude and phase independently for each direction of vibration and testing of vibrations with different deflection-time dependencies, e.g. triangular or rectangular, and not only sinusoidal relationships, as in the case of vibrating springs and pendulums. Moreover, the use of electrodynamic speakers in the device eliminates the influence of non-linear distortions during the processing of electrical signals on the movement of the shining spot on the screen. An additional advantage of the device according to the invention is the simple and transparent structure and the use of cheap and readily available components, which are electrodynamic loudspeakers and a laser diode.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok urządzenia do wizualizacji drgań złożonych z boku, a fig. 2 - widok urządzenia z góry.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a side view of the device for visualizing composite vibrations, and Fig. 2 - a top view of the device.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku składa się z diody laserowej 1, zasilanej napięciem stałym U, umieszczonej w obudowie 2, przy czym dioda wysyła monochromatyczny promień światła 3, obrazujący tor ruchu drgającego ciała na ekranie 4, prostopadłym do kierunku promienia 3. Dioda laserowa 1 wprawiana jest w drgania złożone, odbywające się w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach za pomocą dwóch sprzężonych mechanicznie głośników elektrodynamicznych, korzystnie nisko- lub średniotonowych. Jeden z tych głośników 5 ma dużą moc i wykonuje drgania w kierunku równoległym do podstawy urządzenia 6, zaś drugi głośnik 7 o mniejszej mocy wykonuje drgania w kierunku prostopadłym do podstawy 6. Obudowa 2 diody laserowej 1 przymocowana jest do lekkiej kołyski 8, osadzonej na osi 9, ułożyskowanej na końcach w dwóch łożyskach tocznych 10, 11, przy czym zewnętrzne pierścienie tych łożysk osadzone są w kątowych wspornikach 12, 13, przymocowanych do brzegu kosza 14 głośnika o mniejszej mocy 7. Membrana 15 tego głośnika połączona jest za pomocą łącznika 16, zaopatrzonego od dołu w pierścień 17, przyklejony do środkowej części tej membrany, a od góry wyposażonego w ucho 18, nałożone na łożysko toczne 19, w którego wewnętrznym pierścieniu osadzona jest oś 20, połączona z końcem kołyski 8, znajdującym się bliżej środka membrany głośnika 7. Głośnik ten zamocowany jest współosiowo w uchwycie 21, mogącym obracać się na łożysku tocznym 22, osadzonym na pionowym pręcie 23, połączonym prostopadle z podstawą 6. Uchwyt 21, zaopatrzony jest od dołu w mimośrodowo usytuowany sworzeń 24, na którym osadzone jest łożysko toczne 25, a na to łożysko nałożone zostało ucho 26 sprzęgacza 27, równoległego do podstawy 6. Sprzęgacz ten z przeciwnej strony zakończony został kabłąkiem 28 przyklejonym do membrany 29 głośnika o dużej mocy 5, przy czym membrana ta jest korzystnie wycięta w części zewnętrznej. Głośnik 5, umieszczony jest w obejmie 30, połączonej radialnie z prętem 31, przymocowanym prostopadle do podstawy 6.The device for visualization of complex vibrations according to the invention consists of a laser diode 1 powered by DC voltage U, placed in a housing 2, the diode emitting a monochromatic beam of light 3 showing the path of the vibrating body on a screen 4 perpendicular to the direction of the beam 3. Laser diode 1 is set into complex vibrations taking place in two mutually perpendicular directions by means of two mechanically coupled electrodynamic loudspeakers, preferably low or midrange. One of these loudspeakers 5 is powerful and vibrates in a direction parallel to the base of the device 6, and the other, less powerful loudspeaker 7 vibrates in a direction perpendicular to the base 6. The housing 2 of the laser diode 1 is attached to a light cradle 8 mounted on the axis. 9, mounted at the ends in two rolling bearings 10, 11, while the outer rings of these bearings are mounted in angular brackets 12, 13, attached to the edge of the basket 14 of a loudspeaker with a lower power 7. The diaphragm 15 of this loudspeaker is connected by a connector 16, provided with a ring 17 at the bottom, glued to the central part of the diaphragm, and provided with an ear 18 on the top, placed on a rolling bearing 19, in the inner ring of which is mounted an axle 20, connected to the end of the cradle 8, located closer to the center of the speaker diaphragm 7 The loudspeaker is mounted coaxially in a holder 21 that can rotate on a rolling bearing 22, mounted on a vertical rod 23, connected perpendicularly. with a base 6. The handle 21 is provided at the bottom with an eccentrically located pin 24, on which a rolling bearing 25 is mounted, and an eye 26 of the coupler 27, parallel to the base 6, is placed on this bearing 6. This coupler ends on the opposite side with a bow 28 glued to the diaphragm 29 of the high-power loudspeaker 5, the diaphragm preferably being cut in the outer part. The loudspeaker 5 is placed in a bracket 30, radially connected to a rod 31, perpendicular to the base 6.

Zasada działania urządzenia do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku polega na tym, że do końcówek diody laserowej 1 przykłada się stałe napięcie zasilające w kierunku przewodzenia diody i w wyniku tego emituje ona monochromatyczny promień światła 3, padający na ekran 4. Promień ten daje nieruchomy, świecący punkt widoczny na ekranie. Następnie, do końcówek głośników elektrodynamicznych o dużej mocy 5 i o mniejszej mocy 7, przykłada się zmienne napięcia zasilające, odpowiednio Ux oraz Uy, pochodzące z dwóch niezależnych, elektronicznych generatorów funkcyjnych albo z pojedynczego, elektronicznego generatora funkcyjnego, do wyjścia którego przyłączony jest bezpośrednio jeden z głośników, a drugi głośnik zasilany jest poprzez dzielnik lub powielacz częstotliwości i przesuwnik fazy, przyłączone równolegle do tego samego wyjścia generatora. Napięcie zasilające Ux powoduje, że membrana 29 głośnika o dużej mocy 5 zostaje wprawiona w drgania o kierunku równoległym do podstawy urządzenia 6 i poprzez sprzęgacz 27 wymusza drgania skrętne głośnika o mniejszej mocy 7. Z kolei, napięcie zasilające Uy powoduje drgania membrany 15 głośnika o mniejszej mocy 7 w kierunku prostopadłym do podstawy 6 i poprzez łącznik 16 wymusza drgania kołyski 8 wraz z diodą laserową 1. W wyniku tego, dioda laserowa 1 i promień 3 wykonują drgania złożone w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach i tor tych drgań jest obserwowany na ekranie 4. Zmieniając amplitudy napięć, ich zależności od czasu, częstotliwości oraz fazy początkowe można obserwować wpływ tych parametrów na kształt toru drgań złożonych.The principle of operation of the device for visualization of complex vibrations according to the invention consists in the fact that a constant supply voltage is applied to the ends of the laser diode 1 in the direction of the diode's conduction and as a result it emits a monochromatic beam of light 3 falling on the screen 4. This beam gives a stationary, luminous point. visible on the screen. Then, to the ends of the electrodynamic loudspeakers with high power 5 and lower power 7, alternating supply voltages Ux and Uy, respectively, from two independent electronic function generators or from a single electronic function generator, the output of which is directly connected to one of loudspeakers, and the other loudspeaker is powered by a frequency divider or multiplier and a phase shifter, connected in parallel to the same generator output. The supply voltage Ux causes the diaphragm 29 of the high-power loudspeaker 5 to vibrate in a direction parallel to the base of the device 6 and through the coupler 27 forces torsional vibrations of the loudspeaker with a lower power 7. In turn, the supply voltage Uy causes the diaphragm 15 of the lower loudspeaker to vibrate. power 7 in the direction perpendicular to the base 6 and through the connector 16 forces the cradle 8 to vibrate together with the laser diode 1. As a result, the laser diode 1 and the beam 3 perform complex vibrations in two mutually perpendicular directions and the path of these vibrations is observed on the screen 4. By changing the voltage amplitudes, their dependence on time, frequency and initial phases, it is possible to observe the influence of these parameters on the shape of the path of complex vibrations.

Claims

Device for visualization of complex vibrations, characterized by the fact that it consists of a laser diode (1) powered by DC voltage (U), placed in the housing (2), the diode sending a monochromatic beam of light (3) showing the path of motion of the vibrating body on a screen (4) perpendicular to the beam direction (3) of two mechanically coupled electrodynamic loudspeakers, preferably woofers or midrange speakers, one (5) of which is powerful and the other (7) is less powerful, and the diode housing (2) laser (1) is attached to a light cradle (8), mounted on the axis (9), mounted at its ends in two rolling bearings (10, 11), with the outer rings of these bearings embedded in angular brackets (12, 13), attached to the edge of the basket (14)

PL 217 048 B1 of a lower power loudspeaker (7), the diaphragm (15) of which is connected by a connector (16), provided with a ring (17) at the bottom, glued to the central part of this diaphragm, and equipped with an ear (18) at the top. ), placed on a rolling bearing (19), in the inner ring of which the axle (20) is mounted, connected to the end of the cradle (8), located closer to the center of the loudspeaker diaphragm (7), which is coaxially mounted in the holder (21), which can rotate on a rolling bearing (22), mounted on a vertical bar (23) connected perpendicularly to the base (6), the handle (21) being provided at the bottom with an eccentric pin (24) on which the rolling bearing is mounted (25), and on this bearing there is an ear (26) of the coupler (27), parallel to the base (6), which ended on the opposite side with a bow (28) glued to the diaphragm (29) of the high-power loudspeaker (5), and the diaphragm is preferably cut in the outer part and the loudspeaker (5) disposed of it st in the bracket (30) radially connected to a rod (31) perpendicular to the base (6).