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振动力学笔记(三)

简谐激励的受迫振动#

1.1微分方程#

  设:F(t)=F0eiωtF(t)=F_0e^{i\omega t}
  振动微分方程:

mx(t)¨+cx(t)˙+kx(t)=F0eiωtm\ddot{x(t)}+c\dot{x(t)}+kx(t)=F_0e^{i\omega t}

  非齐次微分方程的通解=齐次微分方程的通解+非齐次微分方程的特解
  齐次微分方程的通解就是阻尼自由振动的解,非齐次微分方程的特解为持续振动的稳态响应;

1.2求解稳态响应#

mx(t)¨+cx(t)˙+kx(t)=F0eiωtm\ddot{x(t)}+c\dot{x(t)}+kx(t)=F_0e^{i\omega t}

  m,c,k用ω0\omega_0ζ\zetaB=F0kB=\frac{F_0}{k}

x(t)¨+2ζω0x(t)˙+ω02x(t)=Bω0eiωt\ddot{x(t)}+2\zeta\omega_0\dot{x(t)}+\omega_0^2x(t)=B\omega_0e^{i\omega t}

  设试解:x(t)=xeiωtx(t)=\overline{x}e^{i\omega t}   求导x˙=iωxeiωt\dot{x}=i\omega\overline{x}e^{i\omega t}x¨=ω2xeiωt\ddot{x}=-\omega^2\overline{x}e^{i\omega t}带入初始微分方程

(mω2+icω+k)xeiωt=F0eiωt(-m\omega^2+ic\omega+k)\overline{x}e^{i\omega t}=F_0 e^{i\omega t}

  解:x=F0mω2+icω+k\overline{x}=\frac{F_0}{-m\omega^2+ic\omega+k}

  令:H(ω)=1mω2+icω+kH(\omega)=\frac{1}{-m\omega^2+ic\omega+k}   设:s=ωω0s=\frac{\omega}{\omega_0},带入H(ω)H(\omega)

H(s)=1k1(1s2)+i(2ζs)H(s)=\frac{1}{k}\cdot \frac{1}{(1-s^2)+i(2\zeta s)}

  对于虚数求模如下图,因此有β=1(1s2)2+(2ζs)2\beta=\frac{1}{\sqrt{(1-s^2)^2+(2\zeta s)^2}}

alt text

  将H(s)H(s)用复数表示H(s)=1kβeiθH(s)=\frac{1}{k}\beta e^{-i\theta}θ=tg1(2ζs1s2)\theta=tg^{-1}(\frac{2\zeta s}{1-s^2})   将H(ω)H(\omega)带入试解得到稳态振动的特解:

x(t)=xeiωt=F0H(s)eiωt=F01kβeiθeiωt=F01kβei(ωtθ)x(t)=\overline{x}e^{i\omega t}=F_0 H(s)e^{i\omega t}=F_0\frac{1}{k}\beta e^{-i\theta}\cdot e^{i\omega t}=F_0\frac{1}{k}\beta e^{i(\omega t-\theta)}

      β=1(1s2)2+(2ζs)2\beta=\frac{1}{\sqrt{(1-s^2)^2+(2\zeta s)^2}}   θ=tg1(2ζs1s2)\theta=tg^{-1}(\frac{2\zeta s}{1-s^2})   s=ωω0s=\frac{\omega}{\omega_0}

1.3系统稳态响应特性#

  1. 线性系统对谐振激励的稳态响应是频率等同于激振频率、而相位滞后激振力的简写振动;
  2. 稳态响应的振幅及相位只取决于系统本身的物理性质(m,c,k)和激振力的频率及力幅值,而与系统进入运动的方式(即初始条件)无关;

1.4稳态响应幅频特性#

  以s为横坐标画β(s)\beta (s)曲线

β=1(1s2)2+(2ζs)2\beta=\frac{1}{\sqrt{(1-s^2)^2+(2\zeta s)^2}}

alt text   讨论:
  1. 当s<<1时(ω<<ω0\omega<<\omega_0),β1\beta \approx 1

x(t)=F0kβei(ωtθ)=F0kei(ωtθ)x(t)=\frac{F_0}{k}\beta e^{i(\omega t-\theta)}=\frac{F_0}{k}e^{i(\omega t-\theta)}

  系统响应与系统静位移相当

  2. 当s>>1时(ω>>ω0\omega>>\omega_0),β0\beta \approx 0

x(t)=F0kβei(ωtθ)=0x(t)=\frac{F_0}{k}\beta e^{i(\omega t-\theta)}=0

  系统响应振幅很小

  3. 当s>>1,s<<1区域
  对于不同的ζ\zeta值,β\beta值接近,阻尼的影响在这两个区间影响不显著,系统可以按无阻尼情况考虑;

  4. 当s1s \approx 1时(ωω0\omega \approx \omega_0

x(t)=F0kβei(ωtθ)=0x(t)=\frac{F_0}{k}\beta e^{i(\omega t-\theta)}=0

    对于较小的ζ\zeta值,β\beta迅速增大

  5. 当s=1s = 1时,β\beta \to \infty
    发生共振,但共振对阻尼的影响很敏感,在s=1附件的区域内,增加阻尼可以使振幅明显下降

  6. 对于有阻尼系统,βmax\beta_{max}需要讨论函数的单调性

x(t)=F0kβei(ωtθ)=0x(t)=\frac{F_0}{k}\beta e^{i(\omega t-\theta)}=0

  当s=12ζ2s = \sqrt{1-2\zeta^2}β=βmax=12ζ1ζ2\beta=\beta_{max}=\frac{1}{2\zeta\sqrt{1-\zeta^2}}

  7. 当ζ>1/2\zeta>1/\sqrt{2}时,βmax<1\beta_{max}<1     振幅无极值

极点推导

1.5稳态响应品质因子#

β=1(1s2)2+(2ζs)2\beta=\frac{1}{\sqrt{(1-s^2)^2+(2\zeta s)^2}}

  记:Q=βs=1=12ζQ=\beta_{s=1}=\frac{1}{2\zeta}品质因子
  取s1和s2对应的β=Q/2\beta=Q/\sqrt{2},有Qω0ΔωQ\approx \frac{\omega_0}{\Delta \omega}Δω\Delta \omega为半功率带宽,Δω=ω2ω1\Delta \omega=\omega_2-\omega_1

βs1,S2=1(1s2)2+(2ζs)2=Q2\beta_{s_1,S_2}=\frac{1}{\sqrt{(1-s^2)^2+(2\zeta s)^2}}=\frac{Q}{\sqrt{2}}

  ζ很小,<5%,其的高阶小量趋于零\zeta \text {很小,<5\%,其的高阶小量趋于零}

s12=12ζs22=1+2ζs_1^2=1-2\zeta \quad s_2^2=1+2\zeta

  通过s1和s2求得ω22ω12\omega_2^2-\omega_1^2

ω22ω12=(s22s12)ω04ζω02\omega_2^2-\omega_1^2=(s_2^2-s_1^2)\omega_0 \approx 4\zeta\omega_0^2

  通过s=1点为s1和s2两点的中点可得

ω22ω12=(ω2+ω1)(ω2ω1)=2ω0\omega_2^2-\omega_1^2=(\omega_2+\omega_1)(\omega_2-\omega_1)=2\omega_0

  因此:

Δω2ζω0\Delta \omega \approx 2\zeta \omega_0 \quad

  结论:阻尼约小,Q越大,带宽越窄,共振峰越陡峭 alt text

1.6稳态响应相频特性#

  以s为横坐标画θ(s)\theta (s)曲线

θ=tg1(2ζs1s2)\theta=tg^{-1}(\frac{2\zeta s}{1-s^2})

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  讨论:
  1. 当s<<1时(ω<<ω0\omega<<\omega_0),β1\beta \approx 1

θ0\theta \approx 0

  位移与激振力在相位上几乎是同步的

  2. 当s>>1时(ω>>ω0\omega>>\omega_0),

θπ\theta \approx \pi

  位移与激振力在相位上相反

  4. 当s1s \approx 1时(ωω0\omega \approx \omega_0

θπ2\theta \approx \frac{\pi}{2}

    共振时相位差为π2\frac{\pi}{2},与阻尼无关

振动力学笔记(三)
作者
Studio 609
发布于
2026-02-19
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0