西南交通大學(xué)振動(dòng)力學(xué)_第2章(II)單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)

1、2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)22022年2月5日中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會200522022年2月5日22022年2月5日振動(dòng)力學(xué)3單自由度系統(tǒng)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)32022年2月5日振動(dòng)力學(xué)4單自由度系統(tǒng)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)4振動(dòng)力學(xué)5單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2-4 2-4 單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng) 簡諧激勵(lì)簡諧激勵(lì)所引起的系統(tǒng)響應(yīng)所引起的系統(tǒng)響應(yīng) 周期激勵(lì)周期激勵(lì)所引起的系統(tǒng)響應(yīng)所引起的系統(tǒng)響應(yīng) 任意激勵(lì)任意激勵(lì)所引起的系統(tǒng)響應(yīng)所引起的系統(tǒng)響應(yīng)1.1.簡諧激振力引起的強(qiáng)迫振動(dòng)簡諧激振力引起的強(qiáng)迫振動(dòng) （1 1）運(yùn)動(dòng)

2、微分方程及求解）運(yùn)動(dòng)微分方程及求解 圖圖2-272-27為單自由度系統(tǒng)受簡諧激振力為單自由度系統(tǒng)受簡諧激振力的力學(xué)模型。簡諧力的力學(xué)模型。簡諧力F=FF=F0 0 sin sin 0 0 t, t, 0 0為激振為激振頻率頻率，則系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為，則系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為上式坐標(biāo)原點(diǎn)在靜平衡位置。方程（上式坐標(biāo)原點(diǎn)在靜平衡位置。方程（2-352-35）的解可表示為的解可表示為圖圖 2-272-2700sin(2 35)mx cx kxFt12( )( )( )x tx tx tF=FF=F0 0 sin sin 0 0 t t2022年2月5日600sinmxcxkxFt振動(dòng)微分方程：振動(dòng)微分方

3、程：顯含時(shí)間顯含時(shí)間 t t非齊次微分方程非齊次微分方程非齊次微分方程非齊次微分方程通解通解齊次微分方程齊次微分方程通解通解非齊次微分方程非齊次微分方程特解特解（阻尼）自由振動(dòng)（阻尼）自由振動(dòng)逐漸衰減逐漸衰減瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)持續(xù)等幅振動(dòng)持續(xù)等幅振動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容單自由度系統(tǒng)受迫振動(dòng)單自由度系統(tǒng)受迫振動(dòng) / / 簡諧力激勵(lì)的強(qiáng)迫振動(dòng)簡諧力激勵(lì)的強(qiáng)迫振動(dòng)振動(dòng)力學(xué)7單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)其中其中x x 1 1(t)(t)為齊次方程通解，為齊次方程通解，稱為瞬態(tài)響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)，在弱阻尼情況下，在弱阻尼情況下x x 2 2(t)(t)為特解，為特解，稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱為穩(wěn)態(tài)

4、響應(yīng)，令其形式為，令其形式為為求為求B B和和 將將x x 2 2(t)(t) 代入式（代入式（2-352-35）整理得）整理得令令 0 0/ / = = , , 稱為稱為頻率比頻率比，則，則則（則（2-372-37）為）為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相位角相位角 112( )(cossin )tx teDtDt20( )sin()(236)x tBt022200(237)()()FBkmc22200002,22mckk0222/(238)(1)(2)FkB020222/( )sin()(239)(1)(2)Fkx tt0222arctan()arctan()(240)1ckm振動(dòng)力學(xué)8單自由度系

5、統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 系統(tǒng)的阻尼的存在，使系統(tǒng)的阻尼的存在，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)在相位上比激振力之后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)在相位上比激振力之后 角角。 若沒有阻尼，即若沒有阻尼，即 =0=0，則，則 =0=0，此時(shí)激振力與響應(yīng)同相位。，此時(shí)激振力與響應(yīng)同相位。 強(qiáng)迫振動(dòng)性質(zhì)：強(qiáng)迫振動(dòng)性質(zhì)： 1 1）簡諧激勵(lì)下，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）簡諧激勵(lì)下，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為簡諧運(yùn)動(dòng)，其頻率與激振頻率為簡諧運(yùn)動(dòng)，其頻率與激振頻率 0 0 相相同。同。 2 2）穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅）穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅B B和相位差和相位差 只決定于系統(tǒng)只決定于系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)和激振力本身的物理性質(zhì)和激振力的振幅大小與頻率的振幅大小與頻率，與初始條件無關(guān)；，與初始

6、條件無關(guān)； 3) 3) 初始條件只影響系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)初始條件只影響系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng); ; 記記B B0 0= =F F0 0/ /k k ，則，則 4) 4) 影響穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值因素有影響穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值因素有3 3個(gè)：個(gè)：B B0 0、 B B0 0反映了激振力的影響，因此改變振幅方法之一是改變激振幅值。反映了激振力的影響，因此改變振幅方法之一是改變激振幅值。 反映激勵(lì)頻率的影響。反映激勵(lì)頻率的影響。 反映阻尼的影響。反映阻尼的影響。 式（式（2-412-41）寫為）寫為0222(241)(1)(2)BB振動(dòng)力學(xué)9單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 稱為稱為動(dòng)力放大系數(shù)，動(dòng)力放大系數(shù)，是評估機(jī)械系

7、統(tǒng)是評估機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工作環(huán)境動(dòng)態(tài)工作環(huán)境的重要指標(biāo)之一。為了的重要指標(biāo)之一。為了分析系統(tǒng)的特性，以頻率比分析系統(tǒng)的特性，以頻率比 為橫坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)、以阻尼比為縱坐標(biāo)、以阻尼比 為參數(shù)畫為參數(shù)畫出一組曲線，稱為出一組曲線，稱為幅頻響應(yīng)曲線幅頻響應(yīng)曲線。 可見：可見： . . 111時(shí)，即時(shí)，即 0 0 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于 時(shí)，無論時(shí)，無論阻尼大小如何，阻尼大小如何， ，此時(shí)，此時(shí) 22201=(242)(1)(2)BB圖圖 2-282-28001FBBBk，0200022200=FFFBkkm振動(dòng)力學(xué)10單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)振幅大小主要決定于系統(tǒng)慣性，這一區(qū)域振幅大小主要

8、決定于系統(tǒng)慣性，這一區(qū)域稱為稱為“慣性控制區(qū)慣性控制區(qū)”。 對啟動(dòng)次數(shù)不多的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在對啟動(dòng)次數(shù)不多的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在通過共振區(qū)后就有抑制振幅的預(yù)防措施，通過共振區(qū)后就有抑制振幅的預(yù)防措施，在越過共振區(qū)到達(dá)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，振幅反而在越過共振區(qū)到達(dá)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，振幅反而很小，旋轉(zhuǎn)更趨平衡。很小，旋轉(zhuǎn)更趨平衡。 . . 1 1 時(shí)，即時(shí)，即 0 0接近接近 ，振幅大小，振幅大小與阻尼情況極為密切。在與阻尼情況極為密切。在 較小的情況下較小的情況下，振幅，振幅B B可以很大，在可以很大，在0 0 的情況下，振的情況下，振幅幅B B趨向無窮大。趨向無窮大。 因?yàn)橐驗(yàn)?可見可見慣性力和彈性力基本平衡慣性

9、力和彈性力基本平衡，從而有，從而有激振力與阻尼力相平衡激振力與阻尼力相平衡， 即有即有BcBc 0 0=F=F 0 0 ，B=FB=F0 0/c/c 0 0 , ,因此阻尼對系統(tǒng)響應(yīng)有著因此阻尼對系統(tǒng)響應(yīng)有著決定性影響，振幅決定性影響，振幅B B大小隨阻尼大小隨阻尼c c而定，這而定，這一區(qū)域稱為一區(qū)域稱為“阻尼控制區(qū)阻尼控制區(qū)”。 2200, mBmBkB故 振動(dòng)力學(xué)11單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 激振力頻率激振力頻率 0 0與系統(tǒng)固有頻率與系統(tǒng)固有頻率 相等相等時(shí)，稱為時(shí)，稱為共振共振。實(shí)際上當(dāng)有阻尼作用時(shí)，。實(shí)際上當(dāng)有阻尼作用時(shí)，振幅最大不在振幅最大不在 0 0 = = 處處

10、可見，響應(yīng)的峰值出現(xiàn)在可見，響應(yīng)的峰值出現(xiàn)在 0 0比比 略略小的地方。實(shí)際上，阻尼往往比較小，所小的地方。實(shí)際上，阻尼往往比較小，所以一般以以一般以 0 0 = = 作為作為共振頻率共振頻率。 相對阻尼系數(shù)相對阻尼系數(shù) 對振幅的影響，從對振幅的影響，從幅頻響應(yīng)曲線可以看出阻尼在共振附近一幅頻響應(yīng)曲線可以看出阻尼在共振附近一定范圍內(nèi)，對減小振幅有顯著作用，增加定范圍內(nèi)，對減小振幅有顯著作用，增加阻尼，振幅可以明顯下降。阻尼，振幅可以明顯下降。20= 1-2 時(shí)，阻尼對振時(shí)，阻尼對振幅幾乎沒有什么作用。幅幾乎沒有什么作用。 . .共振時(shí)的動(dòng)力放大系數(shù)稱為共振時(shí)的動(dòng)力放大系數(shù)稱為“品質(zhì)因子品質(zhì)因子

11、”用符號用符號Q Q表示。由式（表示。由式（2-422-42），當(dāng)），當(dāng) =1=1時(shí)時(shí) 在頻率比為在頻率比為 =1=1的虛線兩側(cè)，曲線可以近似的虛線兩側(cè)，曲線可以近似地認(rèn)為是對稱的，作地認(rèn)為是對稱的，作 的一條水平線與響應(yīng)的一條水平線與響應(yīng)曲線交于曲線交于q q1 1和和q q2 2兩點(diǎn)，稱為兩點(diǎn)，稱為半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)，其對應(yīng)的頻率比為，其對應(yīng)的頻率比為 1 1和和 2 2。對于半功。對于半功率點(diǎn)率點(diǎn)q q1 1和和q q2 2 ，由式，由式(2-42)(2-42)與式（與式（2-442-44）得）得00max2BFBc圖圖 2-292-291(2 44)2Q/ 2Q2211222(1)(2)

12、Q振動(dòng)力學(xué)13單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)從上式可解出兩個(gè)根從上式可解出兩個(gè)根 ，這里，這里 1 1和和 2 2 就是半功率點(diǎn)的橫坐就是半功率點(diǎn)的橫坐標(biāo)，標(biāo)， 2 2- - 2 2=2=2或或2 2 1 1 稱為稱為系統(tǒng)的帶寬系統(tǒng)的帶寬，于是，于是Q Q 值可表示為值可表示為 當(dāng)阻尼大時(shí)，帶寬就寬，過共振時(shí)振幅變化平緩，振幅較??；反之，當(dāng)阻尼大時(shí)，帶寬就寬，過共振時(shí)振幅變化平緩，振幅較?。环粗?，阻尼小時(shí)，帶寬就窄，過共振時(shí)振幅變化較陡，振幅就大。所以阻尼小時(shí)，帶寬就窄，過共振時(shí)振幅變化較陡，振幅就大。所以品質(zhì)因子品質(zhì)因子反映了系統(tǒng)阻尼強(qiáng)弱性質(zhì)和共振峰的陡峭程度反映了系統(tǒng)阻尼強(qiáng)弱性質(zhì)和共

13、振峰的陡峭程度。在機(jī)械系統(tǒng)中，為了過共。在機(jī)械系統(tǒng)中，為了過共振時(shí)比較平穩(wěn)，希望振時(shí)比較平穩(wěn)，希望Q Q值小些。式（值小些。式（2-452-45）提供了由）提供了由試驗(yàn)估算系統(tǒng)阻尼比試驗(yàn)估算系統(tǒng)阻尼比 的方法的方法。 半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)q q1 1和和q q2 2 處的相位角由式（處的相位角由式（2-402-40）估算如下：估算如下： 121,1 212111(245)2Q11221122222222 (1)tan111(1)4522 (1)tan111(1)135 。振動(dòng)力學(xué)14單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) . .相位差相位差 與頻率比與頻率比 、阻尼、阻尼比比 關(guān)系曲線如圖關(guān)系曲線如

14、圖2-302-30，稱為，稱為相頻相頻響應(yīng)曲線響應(yīng)曲線。 a. a.當(dāng)當(dāng) =1=1，即共振時(shí)，不管系，即共振時(shí)，不管系統(tǒng)阻尼如何，響應(yīng)總是滯后于激振統(tǒng)阻尼如何，響應(yīng)總是滯后于激振力力9090； b. b.若若 =0=0，相位角僅是，相位角僅是0 0或或180180。相位在共振點(diǎn)前后發(fā)生突。相位在共振點(diǎn)前后發(fā)生突變；變； c. c.若若 00，則，則 隨隨 增大而逐增大而逐漸增大，不會發(fā)生突變，但在共振漸增大，不會發(fā)生突變，但在共振點(diǎn)，特別當(dāng)點(diǎn)，特別當(dāng) 較小時(shí)，相位角較小時(shí)，相位角 變化變化較大。較大。圖圖 2-302-302022年2月5日振動(dòng)力學(xué)15振動(dòng)力學(xué)15單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)

15、的振動(dòng)（2 2）系統(tǒng)初始階段的響應(yīng)）系統(tǒng)初始階段的響應(yīng) a) a) 響應(yīng)特征響應(yīng)特征 在簡諧激振力作用下系統(tǒng)的總響應(yīng)為在簡諧激振力作用下系統(tǒng)的總響應(yīng)為 由兩種由兩種不同頻率不同頻率和和振幅振幅的簡諧運(yùn)動(dòng)疊的簡諧運(yùn)動(dòng)疊加而成的比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。加而成的比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 實(shí)線實(shí)線表示某種情況下兩種表示某種情況下兩種運(yùn)動(dòng)疊加運(yùn)動(dòng)疊加的的結(jié)果。結(jié)果。 虛線虛線表示表示等幅等幅運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 經(jīng)過一段時(shí)間后，實(shí)線逐漸與虛線相經(jīng)過一段時(shí)間后，實(shí)線逐漸與虛線相重合而成為重合而成為單純的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)單純的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。120( )( )( )(246)sin()sin()tx tx tx tAetBt振動(dòng)力學(xué)16單自由度

16、系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) b) b) 積分常數(shù)特征積分常數(shù)特征 1 1）式（）式（2-462-46）中的積分常數(shù)）中的積分常數(shù)A A、 雖然雖然仍由初始條件定，但在此情況下不能按自仍由初始條件定，但在此情況下不能按自由振動(dòng)得到的積分常數(shù)直接代入；由振動(dòng)得到的積分常數(shù)直接代入； 2 2）強(qiáng)迫振動(dòng)情況下，即使初位移和初）強(qiáng)迫振動(dòng)情況下，即使初位移和初速度均為零，在響應(yīng)中仍包含瞬態(tài)部分，速度均為零，在響應(yīng)中仍包含瞬態(tài)部分，積分常數(shù)必須與穩(wěn)態(tài)解一起考慮。積分常數(shù)必須與穩(wěn)態(tài)解一起考慮。 如無阻尼，將式（如無阻尼，將式（2-462-46）改寫為）改寫為 設(shè)設(shè)t=0t=0時(shí)，時(shí)， , ,代入初始條件得代

17、入初始條件得圖圖 2-31002sin( )sin()(247)1Ftx tAtk0,0 xx002,0(1)FAk振動(dòng)力學(xué)17單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)代入（代入（2-472-47）得）得 可見：可見：1 1）強(qiáng)迫振動(dòng)即使在初位移和初速度均為零，在強(qiáng)迫振動(dòng)即使在初位移和初速度均為零，在激振力作用下仍存在著瞬態(tài)響應(yīng)激振力作用下仍存在著瞬態(tài)響應(yīng)，即上式等號右端括號，即上式等號右端括號中的第二項(xiàng)，在有阻尼的情況下，此項(xiàng)數(shù)值將逐漸趨向中的第二項(xiàng)，在有阻尼的情況下，此項(xiàng)數(shù)值將逐漸趨向于零。于零。 2 2）當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率比較低時(shí)，瞬態(tài)振動(dòng)振幅）當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率比較低時(shí)，瞬態(tài)振動(dòng)振幅就可能比較

18、大，而且在較長時(shí)間內(nèi)不易衰減下去。就可能比較大，而且在較長時(shí)間內(nèi)不易衰減下去。 3 3）因此）因此實(shí)驗(yàn)中測定強(qiáng)迫振動(dòng)振幅時(shí)，應(yīng)該在經(jīng)實(shí)驗(yàn)中測定強(qiáng)迫振動(dòng)振幅時(shí)，應(yīng)該在經(jīng)過一段時(shí)間穩(wěn)定以后再測量過一段時(shí)間穩(wěn)定以后再測量，否則可能測到的是兩部分，否則可能測到的是兩部分振動(dòng)之和。振動(dòng)之和。 0002( )(sinsin)(248)(1)Fx tttk2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)1818單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) c) c)一般初值響應(yīng)一般初值響應(yīng) 如果初始條件是如果初始條件是t=0, t=0, ，由式（，由式（2-462-46），在簡諧），在簡諧激振力作用下系統(tǒng)初始階段的響應(yīng)為激振力作用下系統(tǒng)

19、初始階段的響應(yīng)為其中其中00,xx xx0sin()sin()txAetBt22000000002 22sincos()(sin )(sin )arctan(2 49)sincos/(1)(2)xxBBAxBxBxxBBFkB22000000()arctanxxAxxxx自由振動(dòng)自由振動(dòng)振動(dòng)力學(xué)19單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) d) d) 激振力頻率激振力頻率 0 0等于或接近于自由振動(dòng)頻率等于或接近于自由振動(dòng)頻率 情形情形 引入引入 0 0 =2=2考慮式（考慮式（2-482-48），當(dāng)），當(dāng) 很小時(shí)，則很小時(shí)，則式（式（2-502-50）中）中很小，很小，sinsint t變化緩慢

20、，周期變化緩慢，周期2 2/ /很大。式（很大。式（2-502-50）可看成周期為可看成周期為2 2/ / 、可變振幅等于、可變振幅等于 的振動(dòng)。的振動(dòng)。這種現(xiàn)這種現(xiàn)象稱為拍，象稱為拍，按圖按圖2-322-32中規(guī)律變化。拍的周期為中規(guī)律變化。拍的周期為/ / 。 0sincos(250)2Ftxtm 0(/2)sinFmt 圖圖 2-322-322022年2月5日振動(dòng)力學(xué)20振動(dòng)力學(xué)20單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)當(dāng)當(dāng) 0 0接近接近 時(shí)時(shí) 說明共振時(shí)，如無阻尼，振幅將隨時(shí)說明共振時(shí)，如無阻尼，振幅將隨時(shí)間無限的增大，拍的周期稱為無窮大，如間無限的增大，拍的周期稱為無窮大，如圖圖2-

21、332-33。0cos2F txtm 圖圖 2-332-33振動(dòng)力學(xué)21單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)例例 2-17 2-17 如圖如圖2-26 2-26 所示系統(tǒng)，若所示系統(tǒng)，若m=20kgm=20kg，k k=8kN/m=8kN/m，c=130N.s/mc=130N.s/m，受到，受到F(t)=24sin15t (N)F(t)=24sin15t (N)的激振力作用；設(shè)的激振力作用；設(shè)t=0t=0時(shí)，時(shí)， , ,求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)和總響應(yīng)。求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)和總響應(yīng)。解：解：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：(0)0, (0) 100/xxmm s圖圖 2-2622800020/20

22、/ 2130 / (22020)0.1625120 10.162519.73/kradsmcmrads0022222 22sin()( )(1)(2)24sin(15)800015151 () (2 0.1625)20200.006sin(15)6sin(15)Ftx tktttF(t)振動(dòng)力學(xué)22單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)：瞬態(tài)響應(yīng)：總響應(yīng)為總響應(yīng)為由初始條件由初始條件得得總響應(yīng)為總響應(yīng)為221520.1625220arctanarctan29.121511()20。3.251( )sin( )sin(19.73)ttx tAetAet3.25( )sin(19.73)6s

23、in(1529.12 )tx tAett。(0)0sin6sin( 29.12 )(0)100 xAx。3.31,61.82A。3.25( )3.31sin(19.7361.82 )6sin(1529.12 )tx tett。2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)232022年2月5日振動(dòng)力學(xué)23單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)242022年2月5日振動(dòng)力學(xué)24單自由度系統(tǒng)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)24振動(dòng)力學(xué)25單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.偏心質(zhì)量引起的強(qiáng)迫振動(dòng)偏心質(zhì)量引起的強(qiáng)迫振動(dòng) 設(shè)總質(zhì)量為設(shè)總質(zhì)量為M M，其中轉(zhuǎn)子質(zhì)量為，其中轉(zhuǎn)

24、子質(zhì)量為m m，轉(zhuǎn)子質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸距離，即偏心距，轉(zhuǎn)子質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸距離，即偏心距為為e e，轉(zhuǎn)子以角速度，轉(zhuǎn)子以角速度 0 0轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器通過彈簧與阻尼器安裝在基礎(chǔ)上。由轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器通過彈簧與阻尼器安裝在基礎(chǔ)上。由于約束的限制，機(jī)器只能沿鉛直方向運(yùn)動(dòng)，如圖于約束的限制，機(jī)器只能沿鉛直方向運(yùn)動(dòng)，如圖2-342-34（a a）所示。）所示。 設(shè)設(shè)x(t)x(t)為非轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量（為非轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量（M-mM-m）自靜平衡起的垂直位移，則）自靜平衡起的垂直位移，則m m的的垂直位移為：垂直位移為：x(t)+esinx(t)+esin 0 0t t。由牛頓第二定律：。由牛頓第二定律：整理得整理得式中式中 為因

25、轉(zhuǎn)子失衡而產(chǎn)生的為因轉(zhuǎn)子失衡而產(chǎn)生的激振力的幅值，其等效系統(tǒng)如圖激振力的幅值，其等效系統(tǒng)如圖2-342-34（b b）圖圖 2-342-3422022()(sin)d xddxM mmx etckxdtdtdt20000sinsin(251)MxcxkxmetFt200Fme振動(dòng)力學(xué)26單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 可見只要用可見只要用meme 0 02 2 取代取代F F0 0，前面分析皆適用。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)為，前面分析皆適用。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)為且有且有根據(jù)式（根據(jù)式（2-522-52）可畫）可畫 與與 的關(guān)的關(guān)系曲線，如圖系曲線，如圖2-352-35。0sin()xBt220222222

26、200022202222/()(2)(1)(2)22arctanarctan1(252)(1)(2)meMmeBMMBmeMBme圖圖 2-352-352 2201=(2 42)(1)(2)BB振動(dòng)力學(xué)27單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)可見：可見：當(dāng)當(dāng) , ,即動(dòng)態(tài)響應(yīng)為零，因?yàn)榧磩?dòng)態(tài)響應(yīng)為零，因?yàn)?時(shí)，自然就無振動(dòng)時(shí)，自然就無振動(dòng). .當(dāng)當(dāng) ，出現(xiàn)共振，出現(xiàn)共振， =90=90。即當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)向上運(yùn)動(dòng)通過。即當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)向上運(yùn)動(dòng)通過靜平衡位置時(shí)，偏心質(zhì)量正好處于旋轉(zhuǎn)中心的正上方，因此，靜平衡位置時(shí)，偏心質(zhì)量正好處于旋轉(zhuǎn)中心的正上方，因此，可用試驗(yàn)可用試驗(yàn)方法來測定系統(tǒng)的固有頻率方法來測定系

27、統(tǒng)的固有頻率( (測定由水平或底部位置到達(dá)頂部時(shí)間測定由水平或底部位置到達(dá)頂部時(shí)間）。當(dāng)當(dāng) , , 說明說明超越臨界轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)的響應(yīng)與頻超越臨界轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)的響應(yīng)與頻率及阻尼無關(guān)，且振幅保持為率及阻尼無關(guān)，且振幅保持為一個(gè)常數(shù)，相位角一個(gè)常數(shù)，相位角 是是180180。也就是說整個(gè)系統(tǒng)向上運(yùn)動(dòng)到也就是說整個(gè)系統(tǒng)向上運(yùn)動(dòng)到最頂位置時(shí)，偏心質(zhì)量正好在最頂位置時(shí)，偏心質(zhì)量正好在旋轉(zhuǎn)中心的最下方。旋轉(zhuǎn)中心的最下方。0,/0MB me001,/1/2MB me1,/1/MB meme M，即 B圖圖 2-352-352022年2月5日振動(dòng)力學(xué)282022年2月5日振動(dòng)力學(xué)282022年2月5日振動(dòng)力學(xué)

28、28單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)292022年2月5日振動(dòng)力學(xué)292022年2月5日振動(dòng)力學(xué)29單自由度系統(tǒng)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)292022年2月5日振動(dòng)力學(xué)30振動(dòng)力學(xué)30單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)3.3.支承運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)支承運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng) 系統(tǒng)振動(dòng)在不少情況下是由支承運(yùn)動(dòng)引起的。系統(tǒng)振動(dòng)在不少情況下是由支承運(yùn)動(dòng)引起的。 如：地面的振動(dòng)會引起它上面機(jī)器的振動(dòng)；如：地面的振動(dòng)會引起它上面機(jī)器的振動(dòng)； 汽車駛過不平的路面產(chǎn)生的振動(dòng)。汽車駛過不平的路面產(chǎn)生的振動(dòng)。振動(dòng)力學(xué)31單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)支承

29、運(yùn)動(dòng)下的強(qiáng)迫振動(dòng)模型如圖支承運(yùn)動(dòng)下的強(qiáng)迫振動(dòng)模型如圖2-362-36設(shè)設(shè)y(t)y(t)和和x(t)x(t)分別為基礎(chǔ)和質(zhì)量的位移，其相對位移分別為基礎(chǔ)和質(zhì)量的位移，其相對位移z=x-yz=x-y，以質(zhì)量，以質(zhì)量塊為對象，由牛頓第二定律得塊為對象，由牛頓第二定律得以以z=x-yz=x-y代入上式，并設(shè)支承點(diǎn)作簡諧代入上式，并設(shè)支承點(diǎn)作簡諧運(yùn)動(dòng)：運(yùn)動(dòng)：y=asiny=asin 0 0t,t,則則其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為式中式中圖圖 2-362-36()()(2 53)mxc xyk xy 200sin(2 54)mzczkzmymat0sin()zBt2202 222 2200220()(1)(

30、2)2tan1maaBkmcckm振動(dòng)力學(xué)32單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)若用質(zhì)量塊的絕對運(yùn)動(dòng)若用質(zhì)量塊的絕對運(yùn)動(dòng)x x來表示，則來表示，則可見：可見：支承運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)上作用了兩個(gè)激振力支承運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)上作用了兩個(gè)激振力。一個(gè)是經(jīng)過彈簧一個(gè)是經(jīng)過彈簧傳遞過來的傳遞過來的kyky，另一個(gè)是，另一個(gè)是 。兩者相位不同，前者與。兩者相位不同，前者與y y同向，后者超同向，后者超前前9090，與，與 同向。同向。 設(shè)（設(shè)（2-552-55）解為）解為x=Bsin(x=Bsin( 0 0t-t- ) )，則，則動(dòng)力放大系數(shù)為動(dòng)力放大系數(shù)為(2 55)mx cx kxky cycy y 2

31、2223221 (2)(1)(2)2arctan(256)1(2)Ba22221 (2)(257)(1)(2)Ba振動(dòng)力學(xué)33單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線如圖幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線如圖2-372-37可見：可見： 1 1）當(dāng)）當(dāng) 。這時(shí)質(zhì)量塊相對支承幾乎沒有運(yùn)動(dòng)。這時(shí)質(zhì)量塊相對支承幾乎沒有運(yùn)動(dòng)。 2 2）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)，響應(yīng)大小決定于系統(tǒng)的阻尼比時(shí)，響應(yīng)大小決定于系統(tǒng)的阻尼比 的數(shù)值。且阻尼較小時(shí)，的數(shù)值。且阻尼較小時(shí)， 有極值，系統(tǒng)發(fā)生共振。有極值，系統(tǒng)發(fā)生共振。 3 3）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)，不論時(shí)，不論 為何值，都有為何值，都有 =1=1圖圖 2-372-37000=1=

32、0即時(shí)，1= 2振動(dòng)力學(xué)34單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 4 4）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)，振幅時(shí)，振幅B B 就小于支承運(yùn)動(dòng)的振幅就小于支承運(yùn)動(dòng)的振幅a a，而且阻尼大的，而且阻尼大的系統(tǒng)比阻尼小的振幅反而要稍大些。系統(tǒng)比阻尼小的振幅反而要稍大些。 5 5）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)，時(shí)，B/a0,B/a0,質(zhì)量塊幾乎不動(dòng)，說明支承的運(yùn)動(dòng)對重質(zhì)量塊幾乎不動(dòng)，說明支承的運(yùn)動(dòng)對重物影響極小。物影響極小。22圖圖 2-372-372022年2月5日振動(dòng)力學(xué)352022年2月5日振動(dòng)力學(xué)352022年2月5日振動(dòng)力學(xué)352022年2月5日振動(dòng)力學(xué)35單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)362

33、022年2月5日振動(dòng)力學(xué)362022年2月5日振動(dòng)力學(xué)362022年2月5日振動(dòng)力學(xué)36單自由度系統(tǒng)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)362022年2月5日振動(dòng)力學(xué)37振動(dòng)力學(xué)37單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)4.4.隔振原理隔振原理 隔振隔振是在物體與支承面之間加入彈性襯墊，以隔離振動(dòng)。是在物體與支承面之間加入彈性襯墊，以隔離振動(dòng)。 分主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振兩種情況。分主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振兩種情況。 （1 1）主動(dòng)隔振）主動(dòng)隔振 機(jī)器本身是根源，使它與地基隔離開來，以機(jī)器本身是根源，使它與地基隔離開來，以減少它對環(huán)境的影減少它對環(huán)境的影響響，稱，稱主動(dòng)隔振主動(dòng)隔振。例如把機(jī)器安裝

34、在較大的基礎(chǔ)上，在基礎(chǔ)與地基。例如把機(jī)器安裝在較大的基礎(chǔ)上，在基礎(chǔ)與地基之間設(shè)置若干橡膠隔振器就是一種常用的主動(dòng)隔離措施。之間設(shè)置若干橡膠隔振器就是一種常用的主動(dòng)隔離措施。 主動(dòng)隔離效果用主動(dòng)隔離效果用主動(dòng)隔振系數(shù)主動(dòng)隔振系數(shù) 1 1來表示。來表示。1隔振后傳到地基上的力幅沒有隔振時(shí)傳到地基上的力幅隔振系數(shù)越小，隔振效果越好。隔振系數(shù)越小，隔振效果越好。振動(dòng)力學(xué)38單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)圖圖2-382-38（a a）表示質(zhì)量塊）表示質(zhì)量塊m m未未加隔振裝置，其上作用有簡加隔振裝置，其上作用有簡諧干擾力諧干擾力F=FF=F0 0 sin sin 0 0t t，顯然，顯然傳到地基上

35、的力幅是傳到地基上的力幅是F F0 0。加隔振裝置后，如圖加隔振裝置后，如圖2-382-38（b b），），傳到地基上的力為彈簧作用力傳到地基上的力為彈簧作用力F Fk k與阻尼器作用的力與阻尼器作用的力F Fc c之和。之和。 這兩部分力頻率相同，均為這兩部分力頻率相同，均為 0 0，用旋轉(zhuǎn)矢量表示如圖，用旋轉(zhuǎn)矢量表示如圖2-382-38（c c）。合）。合力最大值為力最大值為 000sin()cos()kcFkxkBtFcxcBt0222(1)(2)FBk2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)39振動(dòng)力學(xué)39單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 因?yàn)樵诩ふ窳σ驗(yàn)樵诩ふ窳=FF=F0 0 sin si

36、n 0 0t t作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅為作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅為代入（代入（2-582-58）得到）得到是得主動(dòng)隔振系數(shù)是得主動(dòng)隔振系數(shù)222222maxmax01 (2)(2 58)TkcFFFB kckB202221(2)(1)(2)TFF212 2201 (2)(2 59)(1)(2)TFF0222/(1)(2)FkB振動(dòng)力學(xué)40單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)以以 為橫坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)， 1 1為縱坐標(biāo)為縱坐標(biāo)，阻尼比，阻尼比 取不同值時(shí)，得到主動(dòng)隔振系數(shù)取不同值時(shí)，得到主動(dòng)隔振系數(shù) 1 1與頻率比與頻率比 的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 因?yàn)橹挥幸驗(yàn)橹挥?1 1 1 1 1，傳給地基

37、的力比不用隔振彈簧還大。，傳給地基的力比不用隔振彈簧還大。22221(2)(1)(2)221111 或2222022年2月5日振動(dòng)力學(xué)41振動(dòng)力學(xué)41單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)當(dāng)當(dāng) ， 1 1 值隨阻尼值隨阻尼 增加而變大，如盲目增大阻尼，反而使增加而變大，如盲目增大阻尼，反而使隔振效果變壞。隔振效果變壞。2振動(dòng)力學(xué)42單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) （2 2）被動(dòng)隔振）被動(dòng)隔振 振源：地基運(yùn)動(dòng)振源：地基運(yùn)動(dòng) 力學(xué)原理：支承運(yùn)動(dòng)引起系統(tǒng)發(fā)生的強(qiáng)迫振動(dòng)力學(xué)原理：支承運(yùn)動(dòng)引起系統(tǒng)發(fā)生的強(qiáng)迫振動(dòng) 為為減少環(huán)境振動(dòng)對系統(tǒng)減少環(huán)境振動(dòng)對系統(tǒng)影響，采取的隔振措施稱為影響，采取的隔振措施稱為

38、被動(dòng)隔振被動(dòng)隔振，其，其隔振效果用隔振效果用被動(dòng)隔振系數(shù)被動(dòng)隔振系數(shù) 2 2來表示來表示設(shè)振源振動(dòng)是簡諧的，設(shè)振源振動(dòng)是簡諧的，y=asiny=asin 0 0t t，隔振后物塊振幅，隔振后物塊振幅得被動(dòng)隔振系數(shù)得被動(dòng)隔振系數(shù) 由（由（2-592-59）和（）和（2-602-60）可見，無論主動(dòng)還是被動(dòng)隔振，隔振系數(shù)與）可見，無論主動(dòng)還是被動(dòng)隔振，隔振系數(shù)與頻率變化規(guī)律是相同的，對主動(dòng)隔振時(shí)頻率變化規(guī)律是相同的，對主動(dòng)隔振時(shí) 1 1的討論也適用于被動(dòng)隔振。的討論也適用于被動(dòng)隔振。2被 隔 振 物 塊 振 幅振 源 振 動(dòng) 的 振 幅22221(2)(1)(2)Ba222221(2)(260)(

39、1)(2)Ba振動(dòng)力學(xué)43單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)例例 2-18 2-18 一臺電機(jī)質(zhì)量一臺電機(jī)質(zhì)量31kg31kg，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n=2970r/minn=2970r/min，在電機(jī)與基礎(chǔ)之間，在電機(jī)與基礎(chǔ)之間加油彈性襯墊，阻尼不計(jì)。要使傳到基礎(chǔ)上的力減為不平衡力的加油彈性襯墊，阻尼不計(jì)。要使傳到基礎(chǔ)上的力減為不平衡力的1/101/10，問彈性襯墊的剛度系數(shù)，問彈性襯墊的剛度系數(shù)k k因?yàn)槎嗌佟Ｒ驗(yàn)槎嗌?。解：令式（解：令式?-592-59）中）中 =0=0，則得不計(jì)阻尼時(shí)的隔振系數(shù)為，則得不計(jì)阻尼時(shí)的隔振系數(shù)為由由 得得2211(2)11才有隔振效果1=10211=10-12202

40、=112（）02297099/30radskm22(99)1131(99)312726/11kkNcm2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)442022年2月5日振動(dòng)力學(xué)442022年2月5日振動(dòng)力學(xué)442022年2月5日振動(dòng)力學(xué)44單自由度系統(tǒng)振動(dòng)單自由度系統(tǒng)振動(dòng)2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)4445單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)5.5.測振原理測振原理測量振動(dòng)的儀器測量振動(dòng)的儀器: :測量振幅、振速和振動(dòng)加速度測量振幅、振速和振動(dòng)加速度基本原理基本原理: : 強(qiáng)迫振動(dòng)理論強(qiáng)迫振動(dòng)理論( (支承運(yùn)動(dòng)）支承運(yùn)動(dòng)）原理圖組成原理圖組成: : 彈簧彈簧k k、質(zhì)量、質(zhì)量m m、阻尼、阻尼c c和機(jī)械式記錄器

41、、外殼和機(jī)械式記錄器、外殼外殼固定于被測物體上外殼固定于被測物體上 2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)46振動(dòng)力學(xué)46單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)設(shè)設(shè)y y、x x分別為被測物體和儀器質(zhì)量分別為被測物體和儀器質(zhì)量m m的位移，在記錄器轉(zhuǎn)筒上所記錄的的位移，在記錄器轉(zhuǎn)筒上所記錄的則是它們的相對位移則是它們的相對位移(x-y)(x-y) 設(shè)設(shè)則則穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為式中式中0sin,yatzxy200()()sinmxc xyk xymzczkzmat 0sin()zBt22022222200220()()(1)(2)2tan(2.61)1maaBkmcckm振動(dòng)力學(xué)47單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度

42、系統(tǒng)的振動(dòng)對各個(gè)不同的對各個(gè)不同的 值，值，B/aB/a與與 的關(guān)系如圖的關(guān)系如圖2.402.40。圖圖 2-402-402022年2月5日振動(dòng)力學(xué)48振動(dòng)力學(xué)48單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)兩種慣性式測振儀兩種慣性式測振儀（1 1）位移計(jì)）位移計(jì) 當(dāng)當(dāng) 11，即，即 0 0 時(shí)，時(shí)， B/a1 B/a1， ，表明：記錄的相對運(yùn)動(dòng)振幅與頻率與被測物體的振幅與頻表明：記錄的相對運(yùn)動(dòng)振幅與頻率與被測物體的振幅與頻率都相同，相位相反。這時(shí)率都相同，相位相反。這時(shí)x=y+z0,x=y+z0,質(zhì)量塊在空間幾乎質(zhì)量塊在空間幾乎不動(dòng)。不動(dòng)。 為擴(kuò)大儀器使用范圍，應(yīng)使為擴(kuò)大儀器使用范圍，應(yīng)使B/a 1

43、B/a 1的范圍盡量大。的范圍盡量大。 由于由于 0 0 ，位移計(jì)是一種低固有頻率的儀器，體積，位移計(jì)是一種低固有頻率的儀器，體積大、笨重，適用于測量大型機(jī)器的振動(dòng)和地震等。大、笨重，適用于測量大型機(jī)器的振動(dòng)和地震等。00sin()sinzataty振動(dòng)力學(xué)49單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)（2 2）加速度計(jì)）加速度計(jì) 當(dāng)當(dāng) 11，即，即 0 0 時(shí)，時(shí)， 因加速度計(jì)體積小，質(zhì)量輕，儀器本身質(zhì)量對測量結(jié)果影響小，工因加速度計(jì)體積小，質(zhì)量輕，儀器本身質(zhì)量對測量結(jié)果影響小，工程上現(xiàn)已廣泛使用加速度計(jì)。程上現(xiàn)已廣泛使用加速度計(jì)。 為使測量結(jié)果準(zhǔn)確，需盡量使為使測量結(jié)果準(zhǔn)確，需盡量使 接近于接近

44、于1 1。 與與 、 的關(guān)系見圖的關(guān)系見圖2.282.28。將圖中。將圖中 11的部分放大畫出圖的部分放大畫出圖2.412.41。 可見要擴(kuò)大頻率使用范圍，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)淖枘?，在可見要擴(kuò)大頻率使用范圍，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)淖枘?，?=0.65=0.65 0.700.70， =0=0 0.400.40時(shí)，時(shí)， 1 1，誤差小于，誤差小于0.1%0.1%。 因此阻尼的合理選擇可以增高加速度計(jì)的頻率使用范圍。因此阻尼的合理選擇可以增高加速度計(jì)的頻率使用范圍。202aB2222201(1)(2)Ba振動(dòng)力學(xué)50單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)（3 3）加速度計(jì)的相位矢量）加速度計(jì)的相位矢量 加速度計(jì)所示值與

45、被測振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)之間有相位差加速度計(jì)所示值與被測振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)之間有相位差 。 與與 的變化規(guī)律通常是的變化規(guī)律通常是非線性非線性的，在測量由若干簡諧函數(shù)疊加而的，在測量由若干簡諧函數(shù)疊加而成的非簡諧周期振動(dòng)時(shí)，會造成成的非簡諧周期振動(dòng)時(shí)，會造成波形畸變波形畸變（或（或相位畸變相位畸變）。）。 圖圖 2-412-41振動(dòng)力學(xué)51單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)避免畸變的方法：避免畸變的方法：所測的各次簡諧波的所測的各次簡諧波的相相位角皆為零位角皆為零; ;( (2)2)使每一簡諧波相位角使每一簡諧波相位角 與頻率比與頻率比 成正比，成正比， 即即線性變化線性變化。 由圖可見當(dāng)由圖可見當(dāng) =0

46、.7=0.7時(shí)時(shí), ,在在00 1ttt1 1時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)方法方法1 1：0110011cos()sin()sin()sinFxCttDttkFFtttk tk001111sin(1 cos)FFCtDtk tk t ，2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)80振動(dòng)力學(xué)80單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 方法方法2 2：也可看作兩個(gè)從不同時(shí)間開始的斜坡函數(shù)疊加。對無阻尼系也可看作兩個(gè)從不同時(shí)間開始的斜坡函數(shù)疊加。對無阻尼系統(tǒng)，可得統(tǒng)，可得tttt1 1時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)為時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)為11111001sin()sin()()sin()sinsin()sinttataxtttkkatattttkkFFt

47、ttkk振動(dòng)力學(xué)81單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 三角形脈沖的響應(yīng)三角形脈沖的響應(yīng)( (無阻尼）無阻尼） a. tt a. tttt1 1時(shí)的響應(yīng)按自由振動(dòng)處理。時(shí)的響應(yīng)按自由振動(dòng)處理。t=tt=t1 1時(shí)的位移與速度為時(shí)的位移與速度為將將 作為初始條件代入自由振動(dòng)公式得作為初始條件代入自由振動(dòng)公式得式中式中a=F a=F 0 0/t/t1 1，代入得，代入得10101sin(),(1s)taaxtxcotkk00 xx 、0011111111cos ()+sin()sin=()cos ()+(1-cos t )sin (),xxxtttttaatttttttkk01111111 co

48、s ()sin()sin,Fxtttttt ttkt2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)82振動(dòng)力學(xué)82單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)b. ttb. tt tt1 1時(shí)的響應(yīng)按自由振動(dòng)處理，時(shí)的響應(yīng)按自由振動(dòng)處理， 圖圖2.492.49（c c）右側(cè)圖看作左側(cè)圖）右側(cè)圖看作左側(cè)圖兩個(gè)斜坡函數(shù)的疊加，得兩個(gè)斜坡函數(shù)的疊加，得因因a=F a=F 0 0/t/t1 1，整理得，整理得0111sin()sin()()1 cos()Fttataxtttttkkk0111111 cos ()sin()sin(2.78)Fxttttttkt振動(dòng)力學(xué)83單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)半波正弦脈沖的響應(yīng)半波正

49、弦脈沖的響應(yīng) 圖（圖（d d）右側(cè)為半波正弦脈沖。）右側(cè)為半波正弦脈沖。方法方法1 1：把圖（把圖（d d）右側(cè)圖看作左側(cè)圖兩正弦）右側(cè)圖看作左側(cè)圖兩正弦 函數(shù)疊加。設(shè)函數(shù)疊加。設(shè)t=0t=0時(shí)的初速度、初位時(shí)的初速度、初位 移為移為0 0。則。則tttt1 1是響應(yīng)為是響應(yīng)為因半波時(shí)間長度為因半波時(shí)間長度為t t1 1,t,t1 1= = / / 0 0，代入有，代入有 000112=sint- sint+sin(t-t )- sin(t-t )(1-)Fxk012=-sin(t-t )+sint2.79(1-)Fxk（）2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)84振動(dòng)力學(xué)84單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系

50、統(tǒng)的振動(dòng)方法方法2 2：tttt tt1 1時(shí)的響應(yīng)按自由振動(dòng)處理，時(shí)的響應(yīng)按自由振動(dòng)處理， 把把t=tt=t1 1 = = / / 0 0 代入上式得代入上式得把把 代入自由振動(dòng)響應(yīng)公式，得代入自由振動(dòng)響應(yīng)公式，得002=(sint- sint)(1-)Fxk0020=-sin(1-)Fxk00020=-1-cos(1-)Fxk011200012=-(1+cos)sin(t-t )+sincos(t-t )(1-)-sin(t-t )+sint(1-)FxkFk00 x x 、2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)85振動(dòng)力學(xué)85單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)（2 2）任意激勵(lì)的響應(yīng)）任意激勵(lì)的響

51、應(yīng) 將激勵(lì)看成是持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖的疊加將激勵(lì)看成是持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖的疊加. . 單位脈沖或狄拉克單位脈沖或狄拉克 函數(shù)定義：如果函數(shù)函數(shù)定義：如果函數(shù) （t) t)滿足滿足 （1 1） 當(dāng)當(dāng)tt 時(shí)時(shí) （2 2）當(dāng)）當(dāng)t=t= 時(shí)，有時(shí)，有 稱函數(shù)稱函數(shù) （t) t)為為單位脈沖函數(shù)或狄拉克單位脈沖函數(shù)或狄拉克 函數(shù)函數(shù)()0t()1(2.80)tdt 函數(shù)幾何意義函數(shù)幾何意義 在在t=t=處，脈沖以處，脈沖以(t-(t-) )表示，函數(shù)不為零的時(shí)間間隔被限定表示，函數(shù)不為零的時(shí)間間隔被限定為無窮小為無窮小，該間隔內(nèi)函數(shù)的值不定，曲線下面積等于，該間隔內(nèi)函數(shù)的值不定，曲線下面積等于1.

52、1. 函數(shù)的單位為函數(shù)的單位為s s-1-1。振動(dòng)力學(xué)86單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)圖圖 2-502-502022年2月5日振動(dòng)力學(xué)87振動(dòng)力學(xué)87單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 函數(shù)的力學(xué)意義函數(shù)的力學(xué)意義一個(gè)力的沖量一個(gè)力的沖量 是力是力F F（t t）對時(shí)間的積分，即）對時(shí)間的積分，即 若力若力F F（t t）的值非常大但作用時(shí)間卻很短，那么沖量）的值非常大但作用時(shí)間卻很短，那么沖量 仍是有限仍是有限值，該力就稱為值，該力就稱為脈沖力脈沖力。在時(shí)間。在時(shí)間t=t=時(shí)作用的脈沖力可用時(shí)作用的脈沖力可用 函數(shù)表為函數(shù)表為函數(shù)函數(shù) （t)-t)-沖量為沖量為1 1的脈沖力的脈沖

53、力 函數(shù)還有如下性質(zhì)：函數(shù)還有如下性質(zhì)：F( )FFt dtF( )()F tFt( ) ()( )(2.81)f ttdtf振動(dòng)力學(xué)88單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度阻尼系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)單自由度阻尼系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)單自由度阻尼系統(tǒng)在單自由度阻尼系統(tǒng)在t=0t=0時(shí)受到一脈沖力的激勵(lì)，振動(dòng)方程為時(shí)受到一脈沖力的激勵(lì)，振動(dòng)方程為對零初始條件，即對零初始條件，即 ，則在極短時(shí)間，則在極短時(shí)間t= = 內(nèi)，有內(nèi)，有右側(cè)積分為右側(cè)積分為 ，左側(cè)積分，左側(cè)積分記號記號 表在時(shí)間增量表在時(shí)間增量t=t= 之后速度的變化。因時(shí)間之后速度的變化。因時(shí)間t t非常短，來不非常短，來不及發(fā)生位移，所以及

54、發(fā)生位移，所以x(x()=0)=0。( )mxcxkxFt(0)(0)0 xx0000lim ()lim( )(2.82)mxcxkx dtFt dtF00000limlimlim ( )(0)(0 )mxdtmxm xxmx00000limlimlim ( )(0)0cxdtcxc xx00lim0kxdt(0 )x2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)89振動(dòng)力學(xué)89單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)方程（方程（2.822.82）可寫成）可寫成因系統(tǒng)動(dòng)量的變化等于系統(tǒng)所受的力在此刻的沖量，即因系統(tǒng)動(dòng)量的變化等于系統(tǒng)所受的力在此刻的沖量，即 因速度變化因速度變化dv=dv= ，從動(dòng)量定理也可導(dǎo)出式（，

55、從動(dòng)量定理也可導(dǎo)出式（2.832.83）可見可見0 0時(shí)，時(shí)，x(x() ) 0,0, 方程方程可以看成在初始條件可以看成在初始條件x(x()=0, ,t)=0, ,t 的自由振動(dòng)，其響的自由振動(dòng)，其響應(yīng)為（稱為應(yīng)為（稱為脈沖響應(yīng)脈沖響應(yīng)） =1 =1時(shí)的響應(yīng)稱為時(shí)的響應(yīng)稱為單位脈沖響應(yīng)，單位脈沖響應(yīng)，用用h h( (t t) )表示表示(0 )/(2.83)xF m( )mdvF t dtF(0 )x( )sin(2.84)tFx tetm( )mxcxkxFt( )/(2.83)xF m( )/xF mF振動(dòng)力學(xué)90單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng) 若單位脈沖力在若單位脈沖力在t=t=

56、時(shí)施加，則響應(yīng)記為時(shí)施加，則響應(yīng)記為h(t-h(t-) )，表達(dá)式為，表達(dá)式為 1( )sin (2.85)th tetm()1()sin ()(2.86)th tetm2022年2月5日振動(dòng)力學(xué)91振動(dòng)力學(xué)91單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)任意激勵(lì)的響應(yīng)任意激勵(lì)的響應(yīng) 設(shè)任意激勵(lì)力設(shè)任意激勵(lì)力F F（ ），），00 t t，如圖，如圖2.512.51，作用于彈簧，作用于彈簧質(zhì)量質(zhì)量- -阻尼單自由度系統(tǒng)上，振動(dòng)方程為阻尼單自由度系統(tǒng)上，振動(dòng)方程為 將該任意激勵(lì)分為很多脈沖力，將該任意激勵(lì)分為很多脈沖力，在在t=t=鄰近的微小沖量為鄰近的微小沖量為F(F() )，由單位脈沖響應(yīng)公式，得由

57、單位脈沖響應(yīng)公式，得F(F() )產(chǎn)生產(chǎn)生的響應(yīng)為的響應(yīng)為 將將0,t0,t上響應(yīng)疊加，有上響應(yīng)疊加，有圖圖 2-512-51( )(2.87)mxcxkxF( )()xFh t 0( )( ) ()(2.88)tx tFh td振動(dòng)力學(xué)92單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)將將h(t-h(t-) ) 代入得代入得上式為阻尼單自由度系統(tǒng)受任意激勵(lì)上式為阻尼單自由度系統(tǒng)受任意激勵(lì)F(t)F(t)作用時(shí)的響應(yīng)，稱為作用時(shí)的響應(yīng)，稱為杜哈美積杜哈美積分分(Duhamel)(Duhamel)。注意注意: :杜哈美積分包括了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)兩部分。杜哈美積分包括了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)兩部分。 對小阻尼

58、，即對小阻尼，即 =0=0， = = ，有，有 在在t=0t=0時(shí)有初速度時(shí)有初速度 和初位移和初位移 存在，系統(tǒng)總響應(yīng)為存在，系統(tǒng)總響應(yīng)為忽略阻尼，總響應(yīng)為忽略阻尼，總響應(yīng)為()1( )( )sin()(2.89)tx tFetdm01sin ()(2.90)txFtdm0 x 0 x()00001( )sincos ( )sin()tttxxx tetxtFetdm0001( )sincos( )sin ()(2.92)txx ttxtFtdm振動(dòng)力學(xué)93單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)任意支承運(yùn)動(dòng)函數(shù)的響應(yīng)任意支承運(yùn)動(dòng)函數(shù)的響應(yīng) 系統(tǒng)在支承運(yùn)動(dòng)下振動(dòng)，支承運(yùn)動(dòng)規(guī)律是任意時(shí)間函數(shù)系統(tǒng)在支承運(yùn)動(dòng)下振動(dòng)，支承運(yùn)動(dòng)規(guī)律是任意時(shí)間函數(shù)y(y( ) )，同，同樣可用杜哈美積分來求系