简谐激励的受迫振动#
1.1微分方程#
设:F(t)=F0eiωt
振动微分方程:
mx(t)¨+cx(t)˙+kx(t)=F0eiωt 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)=F0eiωt m,c,k用ω0 、ζ 、B=kF0
x(t)¨+2ζω0x(t)˙+ω02x(t)=Bω0eiωt 设试解:x(t)=xeiωt
求导x˙=iωxeiωt x¨=−ω2xeiωt带入初始微分方程
(−mω2+icω+k)xeiωt=F0eiωt 解:x=−mω2+icω+kF0
令:H(ω)=−mω2+icω+k1
设:s=ω0ω,带入H(ω)
H(s)=k1⋅(1−s2)+i(2ζs)1 对于虚数求模如下图,因此有β=(1−s2)2+(2ζs)21

将H(s)用复数表示H(s)=k1βe−iθ,θ=tg−1(1−s22ζs)
将H(ω)带入试解得到稳态振动的特解:
x(t)=xeiωt=F0H(s)eiωt=F0k1βe−iθ⋅eiωt=F0k1βei(ωt−θ) β=(1−s2)2+(2ζs)21
θ=tg−1(1−s22ζs)
s=ω0ω
1.3系统稳态响应特性#
- 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;
- 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)曲线
β=(1−s2)2+(2ζs)21
讨论:
1. 当s<<1时(ω<<ω0),β≈1
x(t)=kF0βei(ωt−θ)=kF0ei(ωt−θ) 系统响应与系统静位移相当;
2. 当s>>1时(ω>>ω0),β≈0
x(t)=kF0βei(ωt−θ)=0 系统响应振幅很小;
3. 当s>>1,s<<1区域
对于不同的ζ值,β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s≈1时(ω≈ω0)
x(t)=kF0βei(ωt−θ)=0 对于较小的ζ值,β迅速增大;
5. 当s=1时,β→∞
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需要讨论函数的单调性
x(t)=kF0βei(ωt−θ)=0 当s=1−2ζ2,β=βmax=2ζ1−ζ21
7. 当ζ>1/2时,βmax<1
振幅无极值;

1.5稳态响应品质因子#
β=(1−s2)2+(2ζs)21 记:Q=βs=1=2ζ1,品质因子
取s1和s2对应的β=Q/2,有Q≈Δωω0 ,Δω为半功率带宽,Δω=ω2−ω1
βs1,S2=(1−s2)2+(2ζs)21=2Q ζ很小,<5%,其的高阶小量趋于零
s12=1−2ζs22=1+2ζ 通过s1和s2求得ω22−ω12
ω22−ω12=(s22−s12)ω0≈4ζω02 通过s=1点为s1和s2两点的中点可得
ω22−ω12=(ω2+ω1)(ω2−ω1)=2ω0 因此:
Δω≈2ζω0 结论:阻尼约小,Q越大,带宽越窄,共振峰越陡峭

1.6稳态响应相频特性#
以s为横坐标画θ(s)曲线
θ=tg−1(1−s22ζs)
讨论:
1. 当s<<1时(ω<<ω0),β≈1
θ≈0 位移与激振力在相位上几乎是同步的;
2. 当s>>1时(ω>>ω0),
θ≈π 位移与激振力在相位上相反;
4. 当s≈1时(ω≈ω0)
θ≈2π 共振时相位差为2π,与阻尼无关;