國外最新振動學(xué)教材調(diào)研及特色分析1

國外最新振動學(xué)教材調(diào)研及特色分析1)黃修長華宏星

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海202240)

機(jī)械振動學(xué)是一門經(jīng)典力學(xué)課程，國內(nèi)外知名學(xué)者撰寫的本科生、研究生教材已有100多本，一些教材得以不斷再版。再版教材在不同年代引入了各具時代特色的元素（如仿真分析、最新工程案例和科研成果），因此備受歡迎。此外，一些知名學(xué)者、工業(yè)顧問等結(jié)合多年授課經(jīng)驗(yàn)、從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行教材或?qū)ｎ}書籍的撰寫，不斷充實(shí)機(jī)械振動學(xué)教材和專著的隊(duì)伍。

陳立群教授和于開平教授對美國及國內(nèi)外的振動學(xué)教材進(jìn)行了剖析。陳立群教授對1995年至2022年的振動力學(xué)教材進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從傳統(tǒng)教材、習(xí)題集和獨(dú)具特色的教材三個方面詳細(xì)分析了15本教材的內(nèi)容[1]，并對德國振動力學(xué)教材進(jìn)行分析和介紹[2-3]。于開平教授[4]介紹了一些廣為應(yīng)用的教材，同時結(jié)合目前學(xué)時短的特點(diǎn)對國內(nèi)振動學(xué)教材進(jìn)行分析。胡海巖教授[5]對力學(xué)教材創(chuàng)新提出了獨(dú)到的見解。

機(jī)械振動學(xué)作為一門力學(xué)課程，工程專業(yè)學(xué)生通常認(rèn)為其理論性太強(qiáng)、數(shù)理基礎(chǔ)要求高、不夠吸引人。即使學(xué)習(xí)機(jī)械振動學(xué)后，部分學(xué)生認(rèn)為機(jī)械振動學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容僅可以解決理想化的經(jīng)典例題，面對現(xiàn)實(shí)工程系統(tǒng)往往不知如何著手分析。因此，本科生教材應(yīng)當(dāng)使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)的早期階段解決這一有意義的問題。此外，工程藝術(shù)和科學(xué)以驚人的速度發(fā)展，振動的主題也隨之?dāng)U展，近15年來國外振動學(xué)教材得到了長足的發(fā)展，經(jīng)典的振動類教材/書籍進(jìn)行改版、部分國家的一些特色教材也不斷涌現(xiàn)。因此，急需對2022—2022年之間的教材進(jìn)行調(diào)研、分析。

1.3其他國家振動學(xué)教材

除歐美等國家外，本文對印度、塞爾維亞等國的部分振動學(xué)教材進(jìn)行分析。

印度Singh等[44]的《機(jī)械振動》包括振動基本元素，無阻尼自由振動，有阻尼自由振動，強(qiáng)迫振動，兩自由度系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)，連續(xù)系統(tǒng)，瞬態(tài)振動，非線性振動等章。每章有一些分層次的例題及詳細(xì)解答。

塞爾維亞共和國Kova?i?等[45]的《機(jī)械振動：已解決問題及基礎(chǔ)》包括拉格朗日方程，單自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動，單自由度系統(tǒng)的有阻尼自由振動，單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動，二自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動，二自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動，無限自由度系統(tǒng)的振動，附加主題（如非線性彈簧，關(guān)于非線性彈簧的撓度和勢能）等。每章都包含簡短的理論介紹部分、大量從簡單到非常復(fù)雜的已解決案例、大綱和目標(biāo)、章節(jié)回顧和提示。

印度孟買理工學(xué)院Manik[46]的《結(jié)構(gòu)聲：基礎(chǔ)和應(yīng)用》包括單自由度系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)和桿縱向振動，氣動聲，隨機(jī)振動，梁的彎曲振動，板殼彎曲振動，聲源，房間聲學(xué)，聲-結(jié)構(gòu)交互，統(tǒng)計(jì)能量分析等內(nèi)容。該書內(nèi)容全面且自成體系，包括已解決的例子和插圖，傳感器和噪聲控制設(shè)計(jì)。

1.4適合于工程師的工業(yè)顧問編寫教材

工業(yè)顧問編寫的書籍往往與工程實(shí)際緊密聯(lián)系，包含工程最新應(yīng)用進(jìn)展，可作為教材的有效補(bǔ)充。

瑞典Brandt[47]的《噪聲和振動分析：信號分析和試驗(yàn)程序》包括動態(tài)信號和系統(tǒng)，時間數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過程，基礎(chǔ)力學(xué)，模態(tài)分析理論，用于噪聲和振動分析的傳感器，頻率分析理論，實(shí)驗(yàn)頻率分析，使用DFT（離散傅里葉變換）的頻譜和相關(guān)性估計(jì)，測量和分析系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析，單輸入頻率響應(yīng)測量，多輸入頻率響應(yīng)測量，信號正交化，高級分析方法（如沖擊響應(yīng)譜，希爾伯特變換，倒頻譜分析，包絡(luò)譜，用已知的譜密度創(chuàng)建隨機(jī)信號，工作變形模態(tài)分析，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析）等內(nèi)容。包括練習(xí)、大量的線圖和插圖、附帶網(wǎng)站中MATLAB工具和示例。

Gatti[48]的《高級機(jī)械振動：物理、數(shù)學(xué)和應(yīng)用》包括一些初步的基礎(chǔ)知識，建立運(yùn)動方程，有限自由度系統(tǒng)?自由振動，有限自由度系統(tǒng)?對外部激勵的響應(yīng)，連續(xù)系統(tǒng)的振動，隨機(jī)振動等6個章節(jié)。強(qiáng)調(diào)物理和數(shù)學(xué)之間的密不可分和相互關(guān)系，包括理論和應(yīng)用、工作示例。

Bhattacharyya[49]的《振動分析的實(shí)際案例學(xué)習(xí)：振動基礎(chǔ)簡介》從振動分析的基礎(chǔ)部分開始，介紹了30個真實(shí)的案例研究，涉及現(xiàn)實(shí)生活中遇到的問題。

2新教材內(nèi)容及特色分析

對于本科生，學(xué)習(xí)階段既需要詳細(xì)的理論推導(dǎo)、對基本概念的深刻理解，也需要結(jié)合實(shí)際工程案例加深對理論的理解，掌握基本的建模、計(jì)算、求解和分析的能力。對于研究生，需要掌握高階建模、數(shù)值和理論求解、深入分析的能力。經(jīng)典的教材能夠反映著者將科學(xué)家的學(xué)術(shù)洞察力與經(jīng)驗(yàn)豐富工程師的實(shí)際解決問題相結(jié)合的獨(dú)特能力。新版教材在該方面也進(jìn)行了有益的嘗試?？偨Y(jié)起來，新教材大概有以下幾個特點(diǎn)。（1）再版教材或新教材與時俱進(jìn)地更新了從實(shí)際工程案例抽象的新模型、新的研究成果或熱點(diǎn)，提供了仿真軟件（MATLAB和FEM）程序、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)及案例。（2）新教材的特色體現(xiàn)在簡潔性、邏輯性、與工程案例的深度融合和有效結(jié)合。特色內(nèi)容包括面向理論的群論、非線性影響和波動分析、穩(wěn)定性問題，面向應(yīng)用的渦輪機(jī)和船舶振動、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)機(jī)械的振動問題、人體對振動的反應(yīng)、振動引起的可靠性問題，面向?qū)W科前沿的智能結(jié)構(gòu)、磁軸承等。（3）新教材貫穿了建模、分析、模擬、測量、監(jiān)控、測試和振動控制與設(shè)計(jì)等內(nèi)容。注重對機(jī)械或流體激振力的分析、對實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛿?shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)、對學(xué)生解決工程領(lǐng)域?qū)嶋H問題能力的訓(xùn)練。（4）新教材重視例題習(xí)題對應(yīng)的工程背景、物理意義、力學(xué)建模。通過引入針對實(shí)際工程問題凝練的例題和習(xí)題，清晰地展示基礎(chǔ)理論在解決實(shí)際工程問題中的能力，通過學(xué)以致用、用以促學(xué)激發(fā)學(xué)生對振動學(xué)的興趣。（5）新教材習(xí)題豐富，包括預(yù)備題、基本問題、概念問題、示例、一般分析和設(shè)計(jì)問題等。預(yù)備題可測試學(xué)生對所學(xué)理論的概念性理解、基本問題提供了概念的簡單應(yīng)用、概念問題激發(fā)學(xué)生結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行思考、示例展示解題思路、分析和設(shè)計(jì)問題提升綜合應(yīng)用基礎(chǔ)理論進(jìn)行建模求解分析和討論的能力。（6）新教材在內(nèi)容的廣度和深度方面深化了振動–聲、振動導(dǎo)致強(qiáng)度問題、振動導(dǎo)致穩(wěn)定性問題等知識點(diǎn)。著者結(jié)合其在某方面長期研究的積累或所在單位學(xué)科特長，引入相關(guān)高階的主題內(nèi)容。（7）新教材的例題和習(xí)題注重跨學(xué)科和跨行業(yè)。例題和習(xí)題包括各行業(yè)領(lǐng)域（如艦船、汽車、直升機(jī)等）凝練的內(nèi)容，也包括生物力學(xué)、微機(jī)械系統(tǒng)等不同學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容；引入跨行業(yè)的例題可為振動控制和振動排故等提供借鑒思路，引入跨學(xué)科例題有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3結(jié)論

本文對國外2022—2022年機(jī)械振動學(xué)教材進(jìn)行了調(diào)研和分析，國外教材在適應(yīng)新的工業(yè)發(fā)展階段下不斷更新，知名教授也不斷總結(jié)凝練研究成果推出新教材。我國在借鑒國外振動學(xué)優(yōu)秀教材的基礎(chǔ)上，依據(jù)國情，建設(shè)適合于我國人才培養(yǎng)需求的特色振動學(xué)教材體系。我國正在開展新工科創(chuàng)新交叉復(fù)合人才培養(yǎng)，其基本思路是理清需求、凝聚學(xué)科、建立模型、三位一體（分析/計(jì)算/實(shí)驗(yàn)）、提出預(yù)測和支撐設(shè)計(jì)。結(jié)合我國目前工業(yè)的發(fā)展階段和現(xiàn)實(shí)國情，振動學(xué)教材在以下4個方面需進(jìn)行強(qiáng)化。（1）形成建模、分析、模擬、測量、監(jiān)控、測試和振動控制與設(shè)計(jì)等內(nèi)容一貫的內(nèi)容體系，從面向應(yīng)用和需求牽引的角度深化振動-聲、振動導(dǎo)致強(qiáng)度問題、振動導(dǎo)致穩(wěn)定性問題等知識點(diǎn)，從基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的角度加強(qiáng)反問題、振動（動力學(xué)）設(shè)計(jì)等主題內(nèi)容。（2）凝練并豐富習(xí)題、示例、實(shí)驗(yàn)臺架、分析和設(shè)計(jì)問題等內(nèi)容，從習(xí)題的層次性、學(xué)科交叉性、行業(yè)覆蓋面、工程實(shí)際問題等方面全面提升習(xí)題質(zhì)量。（3）結(jié)合國內(nèi)