Name: measurement of chladni mode shapes with an optical lever method
Uploaded: 2020-06-05T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measurement of Chladni Mode Shapes with an Optical Lever Method at JoVE.com

وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية الصينية للعلوم الطبيعية (المنحة رقم 11772045) ومشروع إصلاح التعليم والتعليم في جامعة العلوم والتكنولوجيا في بيجين (منحة رقم 11772045). JG2017M58).

1. الإعداد التجريبي والإجراءات
ملاحظة: قم بإعداد النظام التجريبي كما هو موضح في الشكل 2.
<ol><li>إعداد نظام الاهتزاز<ol>
<li>إعداد ثلاثة 1.0 مم سماكة معكوسة لوحات الاكريليك مع قطر 150 مم، 200 ملم و 250 ملم على التوالي. حفر حفرة قطرها 3 مم في مركز كل لوحة. وضع علامة على نقاط س...

<ol>
	<li>Waller, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vibrations+of+free+circular+plates.+Part+1:+Normal+modes.">Vibrations of free circular plates. Part 1: Normal modes.</a> Proceedings of the Physical Society. 50 (1), 70-76 (1938).</li><li>Waller, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vibrations+of+free+square+plates:+part+I.+Normal+vibrating+modes.">Vibrations of free square plates: part I. Normal vibrating modes.</a> Proceedings of the Physical Society. 51 (5), 831-844 (1939).</li><li>Waller, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vibrations+of+free+plates:+isosceles+right-angled+triangles.">Vibrations of free plates: isosceles right-angled triangles.</a> Proceedings of the Physical Society. 53 (1), 35-39 (1941).</li><li>Waller, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vibrations+of+Free+Rectangular+Plates.">Vibrations of Free Rectangular Plates.</a> Proceedings of the Physical Society Section B. 62 (5), 277-285 (1949).</li><li>Waller, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vibrations+of+Free+Elliptical+Plates.">Vibrations of Free Elliptical Plates.</a> Proceedings of the Physical Society Section B. 63 (6), 451-455 (1950).</li><li>Tuan, P. H., Wen, C. P., Chiang, P. Y., Yu, Y. T., Liang, H. C., Huang, K. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+the+resonant+vibration+of+thin+plates:+Reconstruction+of+Chladni+patterns+and+determination+of+resonant+wave+numbers.">Exploring the resonant vibration of thin plates: Reconstruction of Chladni patterns and determination of resonant wave numbers.</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 137 (4), 2113-2123 (2015).</li><li>Tuan, P. H., Lai, Y. H., Wen, C. P., Huang, K. F., Chen, Y. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Point-driven+modern+Chladni+figures+with+symmetry+breaking.">Point-driven modern Chladni figures with symmetry breaking.</a> Scientific Reports. 8 (1), 10844 (2018).</li><li>Castellini, P., Martarelli, M., Tomasini, E. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+Doppler+Vibrometry:+Development+of+advanced+solutions+answering+to+technology's+needs.">Laser Doppler Vibrometry: Development of advanced solutions answering to technology's needs.</a> Mechanical Systems and Signal Processing. 20 (6), 1265-1285 (2006).</li><li>Sels, S., Vanlanduit, S., Bogaerts, B., Penne, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+full-field+vibration+measurements+using+a+handheld+single-point+laser+Doppler+vibrometer.">Three-dimensional full-field vibration measurements using a handheld single-point laser Doppler vibrometer.</a> Mechanical Systems and Signal Processing. 126, 427-438 (2019).</li><li>Georgas, P. J., Schajer, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+Measurement+of+Plate+Natural+Frequencies+and+Vibration+Mode+Shapes+Using+ESPI.">Simultaneous Measurement of Plate Natural Frequencies and Vibration Mode Shapes Using ESPI.</a> Experimental Mechanics. 53 (8), 1461-1466 (2013).</li><li>Luo, Y., Feng, R., Li, X. D., Liu, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+approach+to+determine+the+mode+shapes+of+Chladni+plates+based+on+the+optical+lever+method.">A simple approach to determine the mode shapes of Chladni plates based on the optical lever method.</a> European Journal of Physics. 40, 065001 (2019).</li><li>Coleman, H. W., Steele, W. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimentation and uncertainty analysis for engineer. , (1999).</li></ol>

يتم اعتماد طريقة ذراع بصري في هذه الورقة لتحديد شكل وضع لوحة، منذ نمط Chladni يمكن أن تظهر فقط خطوط العقدة من لوحة تهتز. لتحديد شكل وضع اللوحة، يجب الحصول مسبقاً على العلاقة بين المنحدر والمسافة من شاشة الضوء وطول البقعة. ثم من خلال حساب التكامل المحدد، يمكن تحديد شكل النمط من نمط Chladni كميا.
<p...

أشكال وضع Chladni هي ذات أهمية كبيرة في كل من التطبيقات العلمية والهندسية. أنماط Chladni هي ردود فعل من الموجات المادية، ويمكن للمرء أن يوضح نمط موجة مع أساليب مختلفة. وهو أسلوب معروف لإظهار مختلف وسائط الاهتزاز على لوحة مرنة من خلال الخطوط العريضة للخطوط العقدية. وتستخدم دائما جسيمات صغيرة لإظهار أنماط Chladni، لأنها يمكن أن تتوقف عند العقد حيث السعة النسبية تهتز من لوحة هو صفر، ومواقف العقد تختلف مع وضع رنانة لتشكيل أنماط Chladni المختلفة.
وقد اهتم العديد من الباحثين بأنماط Chladni المختلفة ، ولكنها لا تظهر سوى الخطوط العقدية لأشكال الوضع ، ولا يتم توضيح أشكال الوضع (أي سعة الاهتزاز) بين الخطوط العقدية. والر التحقيق في الاهتزازات الحرة من دائرة1، مربع2، مثلثات الزاوية isosceles3،مستطيلة 4، بيضاوي الشكل5 لوحات ، ويتضح أنماط Chladni مختلفة في ذلك. أعاد توان وآخرون بناء أنماط تشلدني المختلفة من خلال كل من المقاربات التجريبية والنظرية، واعتمدت معادلة هيلمولتز غير المتجانسة خلال النمذجة النظرية6،7. بل هو أسلوب شعبية لاستخدام الليزر دوبلر Vibrometer (LDV) أو الالكترونية بقعة نمط التداخل (ESPI) لقياس كميا الأشكال وضع أنماط Chladni8،9،10. على الرغم من أن LDV تمكن من دقة اتساع مقياس الفاتن ونطاقات الترددات العالية جدًا ، إلا أن سعر LDV مكلف أيضًا قليلاً للتوضيح في الفصول الدراسية و / أو تعليم الفيزياء الجامعية. مع هذا الاعتبار، اقترحت هذه الورقة نهجا بسيطا لتحديد شكل شكل نمط Chladni بتكلفة منخفضة، حيث أن هناك حاجة فقط إلى قلم ليزر إضافي وشاشة ضوء هنا.
وطريقة القياس الحالية موضحة في الشكل 111. لوحة تهتز لديها ثلاثة مواقف مختلفة: موقف بقية، موقف 1 والموقف 2. الموقف 1 و 2 يمثل اثنين من الأماكن تهتز الحد الأقصى من لوحة. يعرض قلم الليزر شعاعًا مستقيمًا على سطح اللوحة ، وإذا كانت اللوحة تقع في موضع الراحة ، فسيعكس شعاع الليزر مباشرة على الشاشة الخفيفة. بينما لوحة يقع في الموقع 1 و 2، ثم شعاع الليزر سوف تنعكس على نقطة A و B على الشاشة الخفيفة، على التوالي. نظرا لتأثير استمرار الرؤية، سيكون هناك خط مستقيم مشرق على الشاشة الخفيفة. طول الضوء الساطع L يرتبط المسافة D بين شاشة الضوء وموقع نقطة الليزر. نقاط مختلفة على لوحة لها منحدرات مختلفة، والتي يمكن تحديدها من قبل العلاقة بين L وD. بعد الحصول على المنحدر من شكل الوضع في نقاط مختلفة على لوحة، والمشكلة يتحول إلى تكامل واضح. مع مساعدة من سعة الاهتزاز الحدود من لوحة والبيانات المنحدر منفصلة، شكل وضع لوحة تهتز يمكن الحصول عليها بسهولة. يتم إعطاء الإعداد التجريبي كله في الشكل 211.
تصف هذه الورقة الإعداد التجريبي والإجراءات لطريقة الرافعة البصرية لقياس أشكال وضع Chladni. كما توضح بعض النتائج التجريبية النموذجية.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acrylic plates</td>
			<td>Dongguan Jinzhu Lens Products Factory</td>
			<td></td>
			<td>Three 1.0-mm-thickness mirrored circular acrylic plates with diameter of 150 mm, 200 mm and 250 mm respectively. They are easily deformed.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser pen</td>
			<td>Deli Group</td>
			<td>2802</td>
			<td>Red laser is more friendly to the viewer. The finer the laser beam, the better.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light screen</td>
			<td>Northern Tempered Glass Custom Taobao Store</td>
			<td></td>
			<td>Several layers of frosted stickers can be placed on the glass to achieve the effect of frosted glass.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ruler</td>
			<td>Deli Group</td>
			<td>DL8015</td>
			<td>The length is 1m and the division value is 1mm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Signal generator</td>
			<td>Dayang Science Education Taobao Store</td>
			<td>TFG6920A</td>
			<td>Common ones in university laboratories are available.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibrator</td>
			<td>Dayang Science Education Taobao Store</td>
			<td></td>
			<td>The maximum amplitude is 1.5cm.The power is large enough to cause a noticeable phenomenon when the board vibrates. Otherwise, add a power amplifier.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measurement of chladni mode shapes with an optical lever method

تحديد كميا نمط Chladni من لوحة مرنة هو موضع اهتمام كبير في كل من العلوم الفيزيائية والتطبيقات الهندسية. في هذه الورقة، يتم اقتراح طريقة لقياس أشكال وضع لوحة تهتز على أساس طريقة ذراع بصرية. استخدمت ثلاثة لوحات الاكريليك دائرية في القياس تحت مختلف الإثارة التوافقي مركز. يختلف عن الطريقة التقليدية، وتستخدم فقط قلم ليزر عادية وشاشة خفيفة مصنوعة من الزجاج الأرض في هذا النهج الرواية. النهج هو كما يلي: القلم الليزر مشاريع شعاع إلى لوحة تهتز عموديا، ومن ثم ينعكس شعاع على الشاشة الخفيفة في المسافة، والتي يتم تشكيل قطعة خط مصنوع من البقعة المنعكة. بسبب مبدأ الثبات الرؤية، يمكن قراءة بقعة الضوء كخط مستقيم مشرق. العلاقة بين المنحدر من شكل الوضع، وطول بقعة الضوء ومسافة لوحة تهتز وشاشة الضوء يمكن الحصول عليها مع العمليات الجبرية. ثم يمكن تحديد شكل الوضع من خلال دمج توزيع المنحدر مع ظروف الحدود المناسبة. ويمكن أيضا أن تحدد أشكال وضع كامل المجال من لوحة Chladni كذلك في مثل هذه الطريقة البسيطة.

يتم تحديد تردد الإثارة الذي يمكن أن يثير نمط شلادني المحوري من خلال اختبار التردد الشامل. ويتم اختبار ثلاث لوحات الاكريليك الدائرية التي يبلغ قطرها 150 مم و200 مم و250 ملم، وتظهر النتائج أن الترددات بالرنين المحوري في أول طلب هي 346 هرتز و214 هرتز و150 هرتز لللوحات الثلاث على التوالي. ويستنتج أن مع ...

Watch this Scientific Journal Video about Measurement of Chladni Mode Shapes with an Optical Lever Method at JoVE.com

Measurement of Chladni Mode Shapes with an Optical Lever Method

ويقترح طريقة بسيطة لقياس شكل وضع Chladni على لوحة مرنة من قبل مبدأ رافعة بصرية.

قياس أشكال وضع Chladni باستخدام طريقة ذراع بصرية

Quantitatively determining the Chladni pattern of an elastic plate is of great interest in both physical science and engineering applications. In this ...

يمكن أن يوفر هذا الإجراء لمحة واضحة لتحديد شكل وضع Chladni باستخدام طريقة الذراع البصرية. الطريقة المقترحة هي طريقة بسيطة إلى حد ما لتحديد شكل وضع Chladni بشكل كمي بتكلفة منخفضة جدا. معرفة المعادلة التفاضلية الجزئية وطريقة العنصر المحدود مهمة للتنفيذ الناجح للإجراء.لإقامة نظام الاهتزاز، والحصول على اثنين من 1mm سميكة معكوسة ألواح الاكريليك مع 150mm القطر وقطر 200mm على التوالي. حفر حفرة قطرها 3mm في وسط كل لوحة، ووضع علامة عدة نقاط كل 5mm على طول دائرة نصف قطرها التعسفي. نعلق كل لوحة إلى شريط تشغيل هزاز مع الترباس في نقطة الوسط، واستخدام مولد الموجي لدفع هزاز مع موجة جيبي.للحصول على تردد الرنين، استخدم قلم الليزر لعرض شعاع الليزر عموديًا من مسافة 120 مم على اللوحة المتذبذبة، بحيث ينعكس الشعاع على شاشة الضوء 500 مم في المسافة. سرعان ما تحرك قلم الليزر على طول الاتجاه عموديا على طوله لمسح أكثر من قطر، في حين أن مولد إشارة يتغير باستمرار تردده. عندما يتم تمديد طول بقعة بشكل كبير على طول القطر، وبعض البقع مع أي توسع تقريبا تظهر، تبدأ مسح نطاق تردد معين ببطء، وتحديد التردد الذي البقعة يوسع أكثر وضوحا.لإعداد مسار الضوء ونظام القياس، ضع شاشة الضوء موازية لللوحة تهتز، ووضع علامة على المسافة بمسطرة متر. ثم، باستخدام 500mm كمسافة البداية، ضع قلم الليزر لإسقاط شعاع عموديا على لوحة، بحيث ينعكس شعاع على الشاشة الخفيفة في المسافة، والتأكد من أن علامة المحرز سابقا يمكن مسحها ضوئيا في حين أن قلم الليزر يتحرك. للحصول على قياس تجريبي، قم بتشغيل مولد الإشارة، وقم بتعيين تردد الإثارة على تردد الرنين الذي توسعت فيه البقعة بشكل واضح للغاية.يجب أن تكون شدة الإشارة صغيرة قدر الإمكان بمجرد أن تكون بقعة الضوء على الشاشة الخفيفة كبيرة بما يكفي لتسجيلها. ضبط قلم الليزر بحيث تتزامن نقطة الحادث مع العلامة الأولى ، أي مع أقرب علامة إلى النقطة الثابتة من اللوحة ، وتحريك الشاشة من 500mm إلى 1000mm ، وقياس طول البقعة من الشاشة كل 50mm. ثم ضبط قلم الليزر لجعل نقطة الحادث المجاورة لعلامة المقبل ، وتكرار القياسات من 500mm إلى 1000mm كما أظهرت للتو.عندما تم قياس جميع نقاط الحادث، كرر القياس مع لوحة الاكريليك من القطر الأكبر التالي. يتم تحديد تردد الإثارة الذي يمكن أن يثير نمط شلادني محوريمتر من خلال اختبار التردد الشامل. ويرتبط قطر أكبر لوحة مع مرونة أعلى لوحة.تحت التردد الرنانة المقابلة، يمكن قياس وتسجيل طول بقعة الضوء على شاشة الضوء من لوحات مختلفة. رسم هذه البيانات يسمح مقارنة أشكال وضع لوحات مختلفة. الجانب الأكثر أهمية في هذا الإجراء هو الحصول على بيانات دقيقة عند قياس طول البقعة ، حيث تحدد هذه البيانات دقة التجربة بأكملها.ويمكن أيضا أن تستخدم هذه الطريقة لتحديد الأشكال وضع غير محورية في كلمة طفيفة، الماس تتبع جمال أنماط Chladni.

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

افتعال يتعلق بما وارء باستخدام أسلوب الرسم الألياف

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

تطوير يهمس معرض البوليمرية وضع مايكرو البصرية مجسات المجال الكهربائي

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

الدولة الكم هندسة الضوء مع استمرار موجة حدودي البصرية المذبذبات

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

فخ تحميل البصري للعازل المجهرية الدقيقة في الهواء

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Standardized Method for Measuring Collection Efficiency from Wipe-sampling of Trace Explosives

طريقة موحدة لقياس كفاءة مجموعة من مسح لعينة من المتفجرات تتبع

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common ...

Design and Fabrication of an Optical Fiber Made of Water

تصميم وتصنيع الألياف الضوئية مصنوعة من الماء

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with ...

Fabrication of an Optical Cell Dryer for the Spectroscopic Analysis Cells

تصنيع خلية ضوئية مجفف لخلايا التحليل سبيكتروسكوبيك

Optical cells, which are experimental instruments, are small, square tubes sealed on one side. A sample is placed in this tube, and a measurement is ...

Measuring the Complete-arch Distortion of an Optical Dental Impression

قياس تشويه القوس الكامل لمطباع الأسنان البصري

Digital workflows have actively been used to produce dental restorations or oral appliances since dentists started to make digital impressions by ...

Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method

قياس قوة التفاعل بين القطرة والركيزة فائقة رهاب الماء بواسطة طريقة ليفر البصرية

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

تطوير الأسلوب للحصول علي تماس الرنانة تجويف الرنين عازله الدراسات الطيفية للورق السليوليك

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...