机械振动学课件

自然界中的振动现象
●人们可以根据逐年的气象情况统计出气候周期性的振动规 律，根据这一规律可预估气候趋势，对生产与生活、抗洪和抗 旱、防灾及减灾等有着重要的意义。 ●潮汐是一种周期性振动。虽然引起潮汐的原因很复杂，目前 公认的是月球引潮观点，构成“引潮力”的两个因素为：(1)月球 的引力；(2)地球绕地月公共质心转动而产生的离心力。除月球 外太阳的“引潮力”是比较突出的，日月引潮力影响天气气候， 特别当日、月、地同处一条直线上时，引潮力的共振减压效应 最为显著，几乎所有的突发性特大自然灾害，都是在内部条件 基本具备情况下遇到此种触发因素而发生的。潮汐的研究对航 海与船舶进出港、渔业、潮汐发电等十分有用。 ●树木年轮中的一疏一密是由气候的周期变化而引起的，从广 义角度来看，也是一种振动现象，这一振动特征，多应用于考 古学、地质学和水文学的研究之中，同时年轮学在环境污染、 森林更新、冰川进退、考古断年、灾害、地震、雪崩、医疗、 地方病、农牧业产量预测等都有着广阔的发展前景。
地震，群灾之 首。强烈的破坏性 地震瞬间将房屋、 桥梁、水坝等建筑 物摧毁，直接给人 类造成巨大的灾 难，还会诱发水灾、 火灾、海啸、有毒 物质及放射性物质 泄漏等次生灾害。
地震的破坏
唐山大地震
台湾大地震
土耳其大地震
印度洋强震引发海啸席卷南亚东南亚
振动引起的转子系统破坏
红色为防锈漆， 白色为孔内装有 消声纤维玻璃
2. 常参数系统与变参数系统
如果一个振动系统的各个特性参数 （质量、刚度、阻尼系数等）都不随时间 而变化，即它们不是时间的显函数，这个 系统就称为常参数系统（或不变系统）。 否则，称为变参数系统(或参变系统)。
3．线性系统与非线性系统
如果一个振动系统的质量不随运动参数 而变化，而且系统的弹性力和阻尼力都可以 简化为线性模型，则称为线性系统。 凡是不能简化为线性系统的振动系统都 称为非线性系统。
◆钟表 ◆振动传输 ◆振动打桩 ◆振动破碎 ◆振动烘干 ◆振动采油 ◆振动时效
◆音乐 ◆振动造型 ◆振动筛选 ◆振动研磨 ◆振动抛光 ◆海浪发电
超声电机（ultrasonic motor ，USM）技术是振动 学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控 制、新材料和新工艺等学科的交叉结合的新技术。超 声电机不像传统的电机那样，利用电磁力来获得其运 动和力矩。超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和 超声振动来获得其运动和力矩的。在这种新型电机 中，压电陶瓷材料盘代替了许许多多的铜线圈。
2．随机响应 系统的响应为时间的随机函数，只能用 概率统计的方法描述。 无论是确定系统，还是随机系统，在随 机激励的作用下，振动系统的响应一定为随 机响应。 如果是随机系统，即使在确定激励的作 用下，系统的响应亦是随机的。
1961年Lorenz和Edward从几乎相同的 出发点开始计算出的天气模式的差别愈来 愈大，终至毫无相似之处。真是“失之毫 厘，谬以千里。”
风机用消声器
大型风机用消声器进风口结构
车间顶上的吸声屏障
电话亭内装超细 吸声棉的吸声平板
会议室用的隔声吸声屏风
汽车排气管用消声器
法国VOLVO客车内的吸声毛绒
一种吸声型的声屏障结构
利用声屏障将声源 和保护目标隔开
高架桥上的吸声 与隔振组合屏障 高架桥上的吸声屏障
日本 吸声 型声 屏障 美国高速公路用混凝 土板墙做声屏障，声 衰减7～10dB 中国第一座公 路声屏障，降 噪量为10.5dB
采用振动沉管混凝土灌注桩 的徐州黄河东岸美化工程
1.2
振动系统模型
振动系统模型按系统的不同性质可分为： 离散系统与连续系统 常参数系统与变参数系统 线性系统与非线性系统 确定系统与随机系统
1．离散系统与连续系统 离散系统是由集中参数元件组成的，基 本的集中参数元件有三种： 质量m、弹簧k 、阻尼c。 (1)质量(包括转动惯量)模型只具有惯性。 (2)弹簧模型只具有弹性，其本身质量可以 略去不计。 (3)阻尼模型既不具有弹性，也不具有惯性。 它是耗能元件，在有相对运动时产生阻力。 连续系统是由弹性体元件组成的，弹性 体的惯性、弹性与阻尼是连续分布的，故亦 称为分布参数系统。 杆、梁、轴、板、壳等
故障诊断或健康检测原理示意图
在实际工程和日常生活中，振动问题随处可见
工程系统如机械、车辆、船舶、飞机、航天器、建 筑、桥梁等都经常处在各种激励的作用下，因而会不可 避免地产生各种各样的振动，可见振动力学在工程实际 中有着广泛的应用。例如在机械、电机工程中，振动部 件和整机的强度和刚度、大型机械的故障诊断、精密仪 器设备的防噪和减振等问题；在交通运输、航空航天工 程中，车辆舒适性、操纵性和稳定性等问题，海浪作用 下船舶的模态分析和强度分析，飞行器的结构振动和声 疲劳分析等问题；在电子电信、轻工工程中，通信器材 的频率特性、音响器件的振动分析等问题；在土建、地 质工程中，建筑、桥梁等结构物的模态分析，地震引起 结构物的动态响应，矿床探查、爆破技术的研究等问 题；在医学、生物工程中，脑电波、心电波、脉搏波动 等信号的分析处理等问题。
(3)振动设计： 在一定的激励条件下，如何来设计系 统的特性，使得系统的响应满足指定的条 件，这就是所谓振动综合或振动设计。 (4)振动环境预测： 在系统特性和响应已知的情形下，求 激励，即判别系统的环境特性，就是所谓 振动环境预测。 实际的振动问题往往是错综复杂的， 它可能同时包含识别、分析和设计等几个 方面的问题动，是指物体(系)在平衡位置 (或平均位置)附近来回往复的运动。 限制有害的振动 利用有益的振动
振动的危害
人们对与振动相关问题的研究起源于公元前6世纪 毕达哥拉斯(Pythagoras)的弦线振动发出声音的工作。在 工程实际和日常生活中，人们常常为振动和躁声带来的 危害大伤脑筋。例如，运载工具的振动会使乘客感到不 舒适；环境噪声使人烦燥不安；共振及次谐波共振会引 起机械设备、桥梁及飞机等的破坏；地震使人民生命财 产遭受巨大损失等等。振动对人体健康的影响包括生理 上的和心理上的，其影响范围涉及到人的心脏和血液循 环系统、呼吸系统、消化系统、神经系统以及听觉、视 觉、人体平衡等诸多方面。随着现代工业的迅速发展， 振动对生活环境和生产环境的影响引起了人们的普通重 视，国外已把振动与噪声列为七大公害之一，并着手研 究振动污染的规律、产生的原因、传播的途径与控制的 方法等等。
MECHANICAL VIBRATION
张义民
清华大学出版社
学时 工学硕士生：60学时 力学本科生：60学时 全校选修课：30学时 工程硕士生：40∼60学时 基础 高等数学、工程数学 矩阵代数、复变函数、微分方程 理论力学、材料力学
第一章
绪论
振动是在日常生活和工程实际中普 遍存在的一种现象，也是整个力学中最 重要的研究领域之一。
4．确定系统和随机系统
确定系统的系统特性可用时间的确定 性函数给出。 随机系统的系统特性不能用时间的确定 性函数给出，只具有统计规律性。
简单的振动模型
汽车车身的振动模型
有限元模型图示
振动筛筛框模态分析及动态响应
有限元模型图示
1.3
激励与响应
一个实际振动系统，在外界激励的作用 下，会呈现出一定的振动响应。这种激励就 是系统的输入，响应就是输出，二者通过振 动系统联系起来(如下图）。
●引起噪声污染； ●影响精密仪器设备的功能，降低机械加 工的精度和光洁度； ●加剧构件的疲劳和磨损，缩短机器和结 构物的使用寿命； ●消耗机械系统的能量，降低机器效率； ●使结构系统发生大变形而破坏，甚至造 成灾难性的事故，有些桥梁等建筑物就是 由于振动而塌毁； ●机翼的颤振、机轮的摆振和航空发动机 的异常振动，曾多次造成飞行事故； ●恶化飞机和车船的乘载条件，等等。
两组天气模式是怎样分道扬镳的。两条曲 线表示的初始条件仅相差0.0001。起初它们 看来要重合，但不久混沌动力学特性导致 独立的、十分歧异的轨线。
混沌中的有序窗口
Lorenz吸引子
海岸线的分形结构：放大时出现的新的湾 和岬，并且仍然与实际的海岸线很相似。
树的分形赝品。用分形技术在计算机上产 生的逼真、别致的树。
海浪发电的基本原理是气室将海浪的波能转换成 空气往复运动，利用这一气流带动发电机发电。
超声诊断仪产生超声，并发射到人体内，在 组织中传播，遇到正常与有疾病的组织时，便会 产生反射与散射，仪器接到这种信号后，加以处 理，显示为波形、曲线或图像等，就可以供医生 做判断组织或器官健康与否的依据。
利用振动监测机器设备的运行
1.4
振动的分类
振动现象按系统相应的性质可分为两大类: 确定振动与随机振动。 1．对于一个确定系统，在受到确定激励 时，响应也是确定的。这类振动称为确定振动。 2．对于确定系统，在受到随机激励时，系 统的响应是随机的。这类振动称为随机振动。 随机振动只能用概率统计的方法来描述。 对于随机结构系统来说，无论是受到确定激 励，还是随机激励，其响应均为随机的，这类振 动称为随机结构(系统)振动。
一.系统激励可分为两大类 1.确定激励 可以用时间的确定函数来描述的激励属 于确定激励。 2．随机激励 随机激励不能用时间的确定函数来描 述，但它们具有一定的统计规律性，因而可 以用随机过程来描述。
二.系统响应同样可以分为两大类 1.确定响应 系统的响应是时间的确定函数。 (1)根据响应存在时间分为： 瞬态响应和稳态响应。 瞬态振动的响应在较短的时间中会逐 渐消失。 稳态振动的响应可持续充分长时间。 (2) 根据响应是否有周期性还可分为： 简谐响应，周期响应，非周期响应和混沌。
此外，还可以按激励的控制方式分类如下所 述。 1．自由振动：系统受初始激励后不再受外界 激励的振动。 2．强迫振动：系统在外界控制的激励作用下 的振动。 3．自激振动：系统在自身控制的激励作用下 的振动。 4. 参激振动： 系统自身参数变化激发的振动。
1.5
振动问题及其解决方法
1. 振动问题 不论是确定的还是随机的振动问题，一般 说来，无非是在激励、响应和系统特性三者之 中已知两者求第三者。 (1)振动分析： 在激励条件与系统特性已知的情形下，求 系统的响应，就是所谓振动分析。 (2)系统识别： 在激励与响应已知的情形下，来确定系统 的特性，就是所谓振动特性测定或系统识别。