第1章绪论(第1、2、3节)

第一章绪论

姚红良副教授

hlyao@机械设计及理论研究所新机械楼315

研究方向：振动智能控制、非线性振动与控制第一章绪论

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。工程中有大量的振动问题需要人们研究、分析和处理。因此，只有掌握了振动规律，才能有效地利用振动有益的方面和限制振动有害的方面，为人类造福。1.1机械振动机械振动的定义：机械振动过程中，表示物体运动特征的某些物理量（如位移、速度、加速度等）将时而增大，时而减小地反复变化。

所谓机械振动，是指物体（或物体系）在平衡位置（或平均位置）附近来回往复的运动。

学习机械振动学的目标:限制有害的振动利用有益的振动兴利除弊1.1机械振动振动的危害：

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。1.1机械振动●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；●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；●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。1.1机械振动由振动带来的灾难：

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。1.1机械振动地震的破坏由振动带来的灾难：1.1机械振动由振动带来的灾难：唐山大地震1.1机械振动由振动带来的灾难：台湾大地震1.1机械振动由振动带来的灾难：土耳其大地震1.1机械振动由振动带来的灾难：印度洋强震引发海啸席卷南亚东南亚1.1机械振动由振动带来的灾难：2008.5.12汶川地震1.1机械振动振动的破坏：振动引起的转子系统破坏1.1机械振动振动的抑制：风机用消声器大型风机用消声器进风口结构红色为防锈漆，白色为孔内装有消声纤维玻璃1.1机械振动振动的抑制：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车间顶上的吸声屏障1.1机械振动振动的抑制：汽车排气管用消声器法国VOLVO客车内的吸声毛绒1.1机械振动振动的抑制：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1.1机械振动振动的抑制：高架桥上的吸声屏障高架桥上的吸声与隔振组合屏障1.1机械振动振动的抑制：美国高速公路用混凝土板墙做声屏障，声衰减7～10dB日本吸声型声屏障中国第一座公路声屏障，降噪量为10.5dB1.1机械振动振动的利用：

“振动利用工程学”是20世纪后半期逐渐形成和发展起来的一门新学科，振动利用工程的发展使世人瞩目。就振动机械来说，目前已成功应用于工矿企业中的振动机器已发展到数百种之多，在许多部门，如采矿、冶金、煤炭、石油化工、机械、电力、水利、土木、建筑、建材、铁路、公路交通、轻工、食品和谷物加工、农田耕作以及在人类日常生活过程中，数以万计的振动机器和振动仪器已成功用来完成许多不同的工艺过程，如给料、上料、输送、筛分、布料、烘干、冷却、脱水、选分、破碎、粉磨、光饰、落砂、成形、整形、振捣、夯土、压路、摊铺、钻挖、装载、振仓、犁土、沉桩、拔桩、清理、捆绑、采油、时效、切削、检桩、检测、勘探、测试、诊断等等。1.1机械振动振动的利用：◆振动传输◆振动造型◆振动打桩◆振动筛选◆振动破碎◆振动研磨◆振动抛光◆振动采油◆海浪发电◆钟表

◆音乐

◆振动时效◆振动烘干1.1机械振动振动的利用：

超声电机（ultrasonicmotor，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。1.1机械振动振动的利用：

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。

1.1机械振动振动的利用：

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。

1.1机械振动振动的利用：利用振动监测机器设备的运行故障诊断或健康检测原理示意图1.1机械振动在实际工程和日常生活中的振动现象：

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。

1.1机械振动自然界中的振动现象：●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。●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。●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。1.1机械振动工程系统中的振动：车辆减振系统1.1机械振动工程系统中的振动：船只的振动1.1机械振动航空和航天工程系统中的振动：1.1机械振动工程系统中的振动：车载火炮稳定系统

在坦克炮塔内，陀螺仪、加速度计及角度传感器不断地测定各种运动载荷，车载计算机根据这些信息计算并发出抵消这些运动的控制指令，通过伺服系统使炮塔相对于底盘水平转动、火炮相对于炮塔高低俯仰，从而使坦克即使在不断颠簸的运动中也能将火炮准确地对准目标。1.1机械振动工程系统中的振动：飞机的振动模拟1.1机械振动工程系统中的振动：硬盘振动1.1机械振动工程系统中的振动：压气机的振动通过地面会影响到周围的仪器设备1.1机械振动工程系统中的振动：缆车上装有减振器1.1机械振动工程系统中的振动：各种形状的叠层减振器1.1机械振动工程系统中的振动：

在诺曼底桥采用了斜拉索上垂直方向布置辅助加固索(二次索)以防止斜拉索振动和非线性变形增大。1.1机械振动工程系统中的振动：

运动器材：看似简单的滑雪板蕴涵了很多材料学和人体工程学的科技成果。滑雪板由多层结构组成，包括弹性板材、抗扭力的盒形结构、板芯、玻璃纤维合材料、高分子材料底板、边刃等。第一章绪论

振动学和美学1.2振动系统模型

模型就是将实际事物抽象化而得到的表达。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1.2振动系统模型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：

(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。质量m、弹簧k、阻尼c。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1.2振动系统模型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)。1.2振动系统模型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(弹性力和变形的一次方成正比；阻尼力与速度的一次方成正比）,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。1.2振动系统模型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。1.2振动系统模型振动模型举例：简单的振动模型1.2振动系统模型振动模型举例：汽车车身的振动模型有限元模型图示1.2振动系统模型振动模型举例：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）。1.3激励与响应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。（脉冲、阶跃、周期、简谐）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。一.系统激励可分为两大类1.3激励与响应1.确定响应

系统的响应是时间的确定函数。

瞬态响应和稳态响应。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。二.系统响应同样可以分为两大类(1)根据响应存在时间分为：

瞬态振动的响应在较短的时间中会逐渐消失。1.3激励与响应二.系统响应同样可以分为两大类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。1.3激励与响应激励（输入）—系统—响应（输出）1.3激励与响应混沌1.3激励与响应混沌与分叉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。