振动与波在工程中应用及其控制

振动与波在工程中的应用及其控制一、振动利用与控制工程的发展现状二、振动的利用振动利用工程学的内涵振动利用工程的应用概况振动与波的利用技术的新成果曾多次重或振动与波的利用技术多数是以非线性动力学为基础非线性振动系统的利用举例三、振动的抑制与控制对振动进行抑制与控制的意义抑制与控制振动的主要方法点的方法2)减振与消振4)调整模态参数以避开6)主动控制1)隔振3)动平衡技术5)

控制四、展望振动与波在工程中的应用及其控制一.

振动利用与控制工程的发展现状振动与波在工程中的应用及其控制1．振动与波动是物质运动的基本形式物质世界始终处于振动和波动之中。振动和波动可分为线性和非线性两类，自然界中的振动和波动绝大多数是非线性的。振动和波动可分为有用和有害的两类。人类自身也每时每刻都处在振动之中,例如，心脏的搏动、血液的循环、肺部的张缩呼吸、脑细胞的思维以及耳膜的振动和声带的振动等,这些无一不是对振动的有效利用。机器的振动；建筑物的振动；环境噪声等。水波、

、声学波、超声波、光波、X

射线波等。前面列举的都属于振动，某一个或一些量随时间或大或小的变化即为振动。2020/11/264振动与波在工程中的应用及其控制在自然界及宇宙中,也到处存在着振动,月亮的圆缺、潮汐的涨落、树木的年轮、一些树木和花草年复一年的发芽、生长与枯萎等。在社会与经济生活中，例如,人口的增长与衰减、农作物虫灾发生的周期性现象、的升跌和振荡、社会经济发展过程中速度的增长与衰减等。对这些振动现象进行研究，找出其内在规律进行有效的利用和控制，就会为人类造福。振动与波在工程中的应用及其控制２．有用振动与有害振动有用的振动：的振动；振

器的振动；钟表中石英振荡器的振动；医疗机械中波动（如超声波）的利用．有害的振动:会使生命

造成重大损失；机器和建筑物的振动会使它缩短

，甚至出现损坏；运载工具的振动使乘客感觉到不舒适；工业噪声会污染环境．振动与波在工程中的应用及其控制二、振动的利用振动利用工程学的内涵振动利用工程的应用概况振动与波的利用技术的新成果曾引发多次重或振动与波的利用技术多数是以非线性动力学为基础非线性振动系统的利用举例2020/11/267图1

振动与波的利用的分类机械系统中振动的利用电气系统及控制系统中振动的利用波动及波能的利用电、磁、光振荡器的工业应用自然界中振动规律的利用非线性振动的利用用非线性波动的利用线性振动的利用线性波动的利用社会经济领域中振动规律的利用振动与波在工程中的应用及其控制(1)

振动利用工程学的内涵2020/11/268振动混合振动压实输送给料类筛分选别类冷却干燥类成型密实类离振动冷却心选分脱别类振动整形重水水振动干燥振动成型振振振振振振振振振共振振振振动动动破

料给拱

斗料动动动动动动振动动动动输提布排装筛筛力送升料队料分分脱振动密实振动冷冻破碎粉磨类振动破碎振动中碎振动球磨振动碎冰振动光饰振动与波在工程中的应用及其控制(2)

振动利用工程应用概况（a）2020/11/269仪振振动动测平量衡振振振振桩动动动动基监测诊勘检察量断探测振振振动动动压夯摊路土铺振振动动熨铲平斗振振振振振动动动动动犁装锤钻碎耙载锻探石振动凿岩振振振振振附插振振动动动动动着入动动清落清疏捣振振沉拔理砂砂通固捣捣桩桩清理疏通类振捣打拔类犁铲装载类钻探凿岩类测量类(2)

振动利用工程应用概况（b）振动与波在工程中的应用及其控制2020/11/2610机械式钟表振动电推振动捆梆振动采集振动时效石英钟表振动同步混沌混合弗洛里特摆摩擦摆混沌保密海浪发电振波采油潮汐发电交流发电感应加热交流输电变频器振动健身振动按摩振动床振动计时类振动类其他用途类发电输电类声测声控类次声破碎管弦乐器声波制冷声检测技术噪声控制器电子计时器(2)

振动利用工程应用概况（c）振动与波在工程中的应用及其控制2020/11/2611太波检测试B射的利用工哈业兹CT声波计微波加热红检机磁光用线级超声应用类检测医疗类通讯类激光应用类特殊应用类激

电

电

光

远

红

红

紫

B

核

X

医光

波

子

纤

外

外

外振发振通外监成消超共C荡

射

荡

信

测

察

像

毒

振

T激光切割激光测距磁致伸缩超声检测超声油水混合超声电机超声减阻超声切削超声碎石超声处理（2）

振动利用工程应用概况（d）振动与波在工程中的应用及其控制(3) 振动与波利用技术的新成果曾引发多次重

或a）理论上的创新：1）同步理论的利用

2）

的利用3）非线性振动的利用4）自激振动的利用5）波及波能的利用 6)

混沌的利用振动与波在工程中的应用及其控制b）技术上的发明：1）可控整流电磁激振技术2）惯性振捣技术2）振动压实技术5）振动检桩技术7）彩超(B超）4）振动

技术6）超声挤塑技术（蒋氏奖）8）超声电机9）振荡器在通信中的应用10）振荡器在计时装置中的应用12）光导纤维技术14）医用CT与工业CT11）红外监察技术13）激光技术15）核磁

(奖，英国曼斯菲尔德和劳特布尔)振动与波在工程中的应用及其控制非线性振动问题的求解方法：解析方法：精确解法近似解法：等价线性化法、里兹--迦辽金法、迭代法、谐波平衡法、传统小参数法、多尺度法、平均法、渐近法（KBM法）b）数值方法：龙德—科太法、打靶法、威尔逊—Θ法、纽马克—β法c）图解方法：等倾、作图法、频闪法、点法胞法。d）实验方法(4)振动与波的利用技术多数是以非线性振动理论与方法为基础振动与波在工程中的应用及其控制(5)非线性振动系统的利用举例需要研究和解决的理论问题和实际问题：光滑非线性振动的利用分段线性非线性振动的利用含滞回非线性作用力的振动的利用自激振动的利用带有冲击的非线性振动的利用非线性波动的利用频率俘获原理的利用慢变参数过程的利用分叉解的利用混沌运动的利用振动与波在工程中的应用及其控制1）光滑非线性振动系统(a)

软式光滑非线性振动系

(b)硬式光滑非线性振动系统图1

光滑非线性振动系统振动与波在工程中的应用及其控制2020/11/26172）分段线性非线性振动系统图2

惯性式

筛示意图图3

非线性的

曲线振动与波在工程中的应用及其控制3）滞回非线系统图4

最简单的平行四边形的滞回模型振动与波在工程中的应用及其控制2020/11/26

194）自激振动系统图5

气动冲击器的工作原理图振动与波在工程中的应用及其控制5）带冲击的非线性振动系统图6

蛙式夯土机机构示意图振动与波在工程中的应用及其控制2020/11/26216）线性波与非线性波在自然界中,除振动外,各种形式的波存在于各个领域。例如,

水

波（海潮和海浪）、声

波、超声波、应力波、电磁波（包括光波）等。振动与波在工程中的应用及其控制7）

频率俘获原理(a)

工作原理图7

自同步振(b)

力学模型的工作原理图与力学模型振动与波在工程中的应用及其控制8）慢变参数系统图8

不同慢变速度系数

kd

时三维谱图a)

kd=0 b)

kd=5 c)

kd=10 d)

kd=15 e)

kd=20 f)

kd=25振动与波在工程中的应用及其控制9）分叉研究非线性系统分叉解，目前已引起科学技术工作者普遍重视和广泛注意。在非线性方程式的分叉解中有一些可以被利用,而有一些不可能加以利用。因此,研究分叉解具有工程意义。例如,在振动输送机中物料的运动会出现多种形式的分叉解,等周期跳动、2倍周期跳动、3倍周期跳动、n倍周期跳动和非周期跳动等,从这些分叉解选择最为理想或者说工艺指标和其他综合评价指标最佳的运动形式,即最佳的分叉解,仍然是有价值的研究课题。例如振动输送机及蛙式夯土机通常采用的是周期运动，而对于可能出现的n(n=2,3,4)倍周期运动几乎不予采用。除此以外，分岔还在许多领域有着广泛的应用。振动与波在工程中的应用及其控制10)混沌运动利用冲击消振器振动空穴中的钢球的混沌运动来消除镗床镗杆的振动;在振动混料机中利用多种物料的混沌运动来加速物料的混合;再人曾设法研究一种作混沌运动的振动筛。所有这些企图利用混沌来完成某一工艺过程的设想,最根本的问题是要看该种设备的工艺指标及其他评价机器性能的综合指标是否优于同一种用途的机器,如果综合指标优于后者,那一种利用混沌的机器的研究是成功的,否则再好的设想也是无济于事的。目前混沌在通讯工程系统中已得到了广泛的应用，而且可获得良好的效果。此外,由于一些非线性振动系统在工作中会出现有害的不稳定振动,在这种情况下,设法使这种不稳定的振动过渡到较之有利的混沌运动,这自然也是利用混沌运动一种可开发的途径。但是否还有比混沌运动更为有效的其他措施,这仍然是一个值得研究的问题。振动与波在工程中的应用及其控制振动与波在工程中的应用及其控制振动与波在工程中的应用及其控制2

2 11

2

2三.振动的抑制与控制振动与波在工程中的应用及其控制点的方法1、对振动进行抑制与控制的意义2、抑制与控制振动的主要方法1)

隔振 2)

减振与消振3)动平衡技术4)调整模态参数以避开5)

控制 6)

主动控制1．对有害振动进行抑制与控制的意义严重的有害的振动（包括波动）会使生命造成重大损失；噪声会污染人类健康，振动与噪声是人类一大公害．对于有害振动必须设法进行抑制与控制，这样可以避免振动带来的危害，减轻甚至避免振动的有害影响．在科学技术高度发达的今天，对于一般的有害振动，人们可以采取一些有效措施予以解决．但对于如等重大

，由于科学技术水平的限制，还没有更有效办法予以抑制与控制．振动与波在工程中的应用及其控制振动与波在工程中的应用及其控制２．有害振动的抑制和控制的基本方法隔振减振与吸振调整模态参数避开

点的方法动平衡技术（5）振动的控制（6）振动的主动控制振动与波在工程中的应用及其控制（1）隔振为了防止将机器的有害振动传给基础，或是为了将基础的有害振动传给机器或仪器，通常要采用隔振，隔振有主动隔振和隔振两种．此外，还有单层、双层与多层隔振等多种，我们在设计一些重要的机械设备时，曾采用二次隔振系统．根据隔振系统弹簧的特性，可分为线性隔振与非线性隔振。目前精密机器和重要建筑物（如隔振系统，为预防

的影响，需采用2020/11/26建筑）广泛采用隔振。31振动与波在工程中的应用及其控制（2）减振与吸振机器及其零部件、输液和输气管道、建筑结构等，在某些激励下会出现各种各样的振动，要

小出现的振动，可采用

振和吸振动的办法。减振和吸振动的方法很多，动力减振器是最常见的一种减振动设备，有无阻尼和有阻尼动力

振器。此外，还有冲击减振器和摩擦

振器等。采用何种减振器视所要减振的构件及对减振的要求而定。对于一些容易出现振动的系统、构件等常常采用振和吸振动手工艺方法。振动与波在工程中的应用及其控制（3）调节模态参数以避开

点的方法在结构及机械系统中，振当干扰频率与系统的固有频率接近时时系统的振幅奖会减少。因点是

小系统振动的有效方，就会出现较大的振动，而当远离此，调整系统的模态参数以避开法。系统的模态参数包括系统的刚度、质量和阻尼等。改变模态参数可以改变系统的固有频率，将系统的固有频率调整到离干扰频率较远的位置上，就会使系统的振幅明显减小，这是减小巧玲珑系统振动的最有效方法之一。复杂的建筑结构及机器零部件，常常有很多个固有频率，一般情况下，低价固有频率附近的振动较大，而高阶固有频率附近的振动较小巧玲珑，因此，通常设法减小低阶固有频率放在比较重要的位置上。振动与波在工程中的应用及其控制（4）动平衡技术对于机器的一些回转零部件，为了减小所出现的振动，常常采用动平衡的方法．动平衡是将回转零部件的质心及惯性中心线调整到与回转轴线相符合的位置上．除要完成静平衡外，还要完成动平衡，对于大型离心压缩机，我们提出了一种两次启动的动平衡方法．对于大型回转零部的动平衡是十分复杂的．方法也是多种多样的，而且要在真空环境中进行动平衡．动平衡的的方法较多，有影响系数法等多种，根据转子系统的特点来选择动平衡的方法。2020/11/26

34振动与波在工程中的应用及其控制(5)振动的控制控制又称为无源控制，不需外界施振动的加能量，它只需无源的惯性、弹性与阻尼元件，易于实现，已在各种减振防冲问题中起到了很好的作用，并得到了广泛的应用。由于传统的振动控制技术，在抑制超低频振动和宽带随机振动时效果较差，不能很好满足工程技术对控制振动问题的要求，因而促使振动主动控制技术迅速兴起，特别是由于自动控制技术及计算机技术的飞速发展，为振动主动控制技术的产生和发展创造了必要的条件