第一章概论机械振动

第一章概论一、机械振动（Mechanical Vibration）机械振动是一种特殊形式的运动。

它是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。

从运动学的观点来看，机械振动是指机械系统的某些物理量（位移、速度、加速度），在某一数值附近随时间的变化规律。

机械振动在日常生活是经常遇到的。

例如：心脏的跳动，钟表的摆动，车厢的晃动，大海的波涛，地震等等。

在工程技术中，机械振动也是非常普遍的：桥梁与房屋的振动，飞行器与船舶的振动，机床与刀具的振动，各种动力机械的振动等等，都是机械振动。

机械振动有二重性，既有有害的一面，也有有利的一面。

例如：它影响精密仪器的功能；降低机械加工的精度和光洁度；加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和结构的使用寿命；甚至使结构发生大变形破坏，有的桥梁就是由于振动而倒塌；据有关统计表明，在飞行器所发生的许多重大事故中，有40%的事故和振动有关。

其有利的一面是：没有振动就没有各种发声器（包括人的声带）以及计时的钟表；各种利用机械振动的生产设备，如振动传输、振动筛、振动研磨和抛光、振动沉桩等等。

研究机械振动的目的：了解各种机械振动现象的机理，掌握振动的基本规律，防止或限制振动所产生的危害，同时利用机械振动的积极一面。

二、振动系统模型与其他工程科学一样，机械振动也是借助模型进行研究。

任何机器、结构或它们的零部件，由于具有弹性与质量，都可能发生振动，它们都是振动系统。

振动系统模型可分为两大类：（Ⅰ）离散系统（集中参数系统）------- 是由集中参数元件组成。

基本的集中参数元件有三种：质量（包括转动惯量）模型------ 只具有惯性；弹簧模型----- 只具有弹性，其本身质量可以略去不计；阻尼器模型----- 既不具有惯性，也不具有弹性。

它是耗能元件，在有相对运动时产生阻力。

离散系统的运动，在数学上用常微分方程来描述。

（Ⅱ）连续系统----- 是有弹性元件组成。

典型的弹性元件有：杆、梁、轴、板壳和块体等等。

弹性体的惯性、弹性和阻尼是连续分布的。

连续系统的运动，在数学上用偏微分方程来描述。

一个弹性体有无限多个自由度。

（Ⅲ）有限元模型三、激励与响应外界对系统的作用或机器运动产生的力称为激励或输入。

机器或结构在激励作用下产生的动态行为称为响应或输出。

一个振动系统，在外界振动激励作用下，会呈现出一定的振动响应，二者是由系统的振动特性联系着。

f)系统的激励分为两大类：确定性的和随机的确定性的激励：可用时间的确定函数来描述激励。

例如脉冲激励、阶跃函数、简谐函数等等。

随机的激励：不能用时间的确定函数来描述，但它具有一定的统计规律性，因而可以用随机过程来描述。

四、振动分类（ⅰ）按振动系统响应的性质分确定性振动随机振动振动周期振动非周期振动简谐振动复杂周期振动准周期振动瞬态振动复杂周期振动------ 除简谐振动以外的周期振动。

准周期振动------ 是由不同频率的简谐振动合成的振动，这一点与复杂周期振动类似。

但是准周期振动没有周期性，组成它的简谐分量中总会有一个分量与另一个分量的频率之比为无理数。

例如，多自由度系统的无阻尼自由振动一般就是属于准周期振动。

而复杂周期振动的诸简谐分量的频率值比都是有理数。

这是准周期振动与复杂周期振动的不同之点。

瞬态振动----- 其时间函数为各种脉冲函数或衰减函数。

例如有阻尼自由振动就是属于瞬态振动。

（ⅱ）按振动微分方程的特点分线性振动----- 线性振动系统的质量不随运动参数（如位移、速度、加速度）而变化，而且系统的弹性力与阻尼力都可以简化为线性模型，即=F kx=R cx非线性振动----- 凡是不能简化为线性系统的振动系统（ⅲ）按系统自由度分单自由度振动（vibrating of single-degree of freedom system）多自由度振动（vibrating of multi- degree of freedom systems）无限多自由度振动（即连续体振动）（vibration of continuous systems）（ⅳ）按激励分自由振动（free vibration）----- 在外界干扰下依靠系统本身的弹性恢复力维持的振动强迫振动（forced vibration）----- 弹性系统在受到外界控制的激励作用下发生的振动。

激励与系统本身无关。

自激振动（self-induced vibration , self-excited vibration）----- 激励是受系统振动本身控制的，在适当的反馈作用下，系统会自动地激起定幅振动。

但一旦振动被抑止，激励也就随同消失。

五、振动问题及其解决方法不论是确定性振动还是随机振动问题，无非是在激励、响应以及系统特性三者之中已知二者求第三者。

1. 在激励条件与系统动态特性已知的情形下求系统的响应。

这就是振动分析。

2. 在系统特性与系统响应已知的情形下，来反推系统的输入。

这就是振动环境预测。

3. 在激励与响应均为已知的情形下，来确定系统的动态特性。

这就是振动特性测定或系统识别。

该问题的另一种提法是：在一定的激励条件下，如何来设计系统的动态特性，使得系统的响应满足指定的条件。

这就是振动综合或振动设计。

解决振动问题的方法：理论分析与实验研究在大量实践和科学实验基础上建立起来的理论，反过来对实践起一定的指导作用。

而从理论分析得到的每一结论都必须通过实验的验证，并接受实践的检验，才能确定它是否正确。

在振动问题的理论分析中大量地应用了数学工具，特别是电子计算机的日益发达为解决复杂振动问题提供了强有力的手段。

而振动测试技术又为振动问题的试验、分析与研究展现了广阔的前景。

本课程着重阐述振动的基本理论与分析方法。

完全掌握这些内容也就初步具备解决实际振动问题的能力，并能为进一步开展研究打下良好的基础。

六、预备知识和参考文献预备知识：高等数学、线性代数、理论力学与材料力学参考文献：1. 机械振动（上册）.清华大学工程力学系郑兆昌主编，机械工业出版社2. 机械振动. 季文美等著，科学出版社3. 振动力学. 倪振华，西安交通大学出版社振动对健康有害王金宝中国青年报1989年5月25日在美国曾发生过这样一件怪事：一条高速公路两旁的树木莫名其妙地死去了。

开始人们以为是汽车废气所致，后经过反复调查研究，才真相大白。

罪魁？？？？罪魁原来是过往汽车造成的振动。

振动破坏了树根与土壤的接触。

植物这么怕振动，那么人类呢？人类生活的世界简直就是一个振动的王国。

城市的地下铁道在振动，人们上班路上要被公共汽车摇来摇去。

工厂里机床车、磨、刨、铣、钻，无不产生不同频率的振动。

振动危害人体健康，被列为现代工业的污染之一。

研究表明，人对不同频率的振动有不同的反应。

有人做过实验，让人坐在椅子上，给他一个强度不太大的振动，振动频率由低到高，慢慢变化。

结果发现：振动频率低于1赫时，人感到头内振动，持续几分钟后，有肌肉痛等不舒适的感觉；振动频率为2赫时，人感到瞌睡；5～8赫时，感到难以忍受，而且呼吸和讲话都受到干扰；9～30赫时，感到脸、颊、颈部振动，视觉受到干扰；振动频率超过30赫时，振动感觉反而变小。

为什么振动频率变化时，人的感觉会有差别呢？原来人体本身就有许多振动“装置”。

当物体的振动与人体的振动频率相同时，人体的振动反应就最大。

据测定，人体反应最大的频率是4～8赫；其次是10～12赫，主要是胸腰内脏共振所致；再次为20～25赫。

人体的不同器官对于振动也有不同的反应，振动频率为18～50赫时对视觉干扰最大，30～40赫时对手不操作影响最严重，6～8赫时则会出现语音障碍。

那么，人到底能耐受多大的振动呢？一般来说，20赫以下的振动，加速振幅达到0.001G（1G相当于1个地球引力）时开始引起人的注意；0.05G以上会使人感到不舒适；超过0.3G后，就会造成人体器官平衡失调，会感到头晕、头沉、贪睡、疲劳、注意力分散等。

长此以往还会导致神经系统、心脏血管系统和运动系统的障碍。

防止振动危害的办法是减小机械的振动，或者采取隔振、减振等措施。

如果人在振动环境中工作，可以用弹性垫子或者束带固定身体来减少振动的影响。

当然，最好是不要去振动污染严重的地方。

局部振动对人体的危害丹东市职业病防治院技术处李德荣、丹东市职业病防治院健康监护科孙荣艳张秀芝辽宁振动工程学会第五届学术交流会议论文集1994年本文主要论述手持工具的振动对人体的危害，如伐木工人链锯对工人的危害，机械清理工风铲，机械铆工铆钉机，凿工凿岩机等振动对工人的危害。

局部振动这一职业危害不仅限于手部出现病变，而且对神经、血管、肌肉、骨骼等也产生影响，多以神经及血管痉挛缺血性病变为主表现典型的白指及手部其它一些症状。

凿岩工及其他接振工人主要症状及体征以手麻，多汗，手胀出现最早且较多，随之出现上肢麻，指骨变形，手肌萎缩等。

全身病状以腰疼、关节疼、头痛、耳鸣等占得比例较大，并有随工龄增加病症加重的趋势。

这说明局部振动会造成整个机体生理机能低下致使神经系统及末梢血管功能方面的调节失调，导致一系列病症出现，使神经末梢感觉功能减退。

振动性白指及诱发白指是局部振动危害的一种特征表现的手部病变，末梢循环障碍即肢体末端小动脉痉挛；由于长期血管痉挛使血管神经功能紊乱而表现出雷诺氏症。

接振工人接振量达一定值时，则出现白指症状，致使患者生活不便，部分丧失劳动能力，尤其是在寒冷地带冬季更为严重，甚至连自行车都不能骑，因白指出现后，手部疼痛，并无知觉，手不能持车把而跌倒。

为了解除接振工人的疾苦，作者吁请专家及有关人士能群策群力减少某些工具的振动强度，造福于民。