1、機械振動第1章機械振動第1章工學碩士生：54學時高等數學、工程數學學時學時力學本科生：48學時矩陣代數、復變函數、微分方程理論力學、材料力學 工程碩士生：4060學時基礎基礎機械振動第1章 振動是在日常生活和工程實際中普遍存在的一種現象，也是整個力學中最重要的研究領域之一。第一章第一章 緒論緒論機械振動第1章 機械振動，是指物體(系)在平衡位置(或平均位置)附近來回往復的運動。 限制有害的振動 利用有益的振動1.1 1.1 機械振動機械振動機械振動第1章振動的危害 人們對與振動相關問題的研究起源于公元前6世紀畢達哥拉斯(Pythagoras)的弦線振動發出聲音的工作。在工程實際和日常生活中，人

2、們常常為振動和躁聲帶來的危害大傷腦筋。例如，運載工具的振動會使乘客感到不舒適；環境噪聲使人煩燥不安；共振及次諧波共振會引起機械設備、橋梁及飛機等的破壞；地震使人民生命財產遭受巨大損失等等。振動對人體健康的影響包括生理上的和心理上的，其影響范圍涉及到人的心臟和血液循環系統、呼吸系統、消化系統、神經系統以及聽覺、視覺、人體平衡等諸多方面。隨著現代工業的迅速發展，振動對生活環境和生產環境的影響引起了人們的普通重視，國外已把振動與噪聲列為七大公害之一，并著手研究振動污染的規律、產生的原因、傳播的途徑與控制的方法等等。機械振動第1章使結構系統發生大變形而破壞，甚至造成災難性的事故，有些橋梁等建筑物就是由

3、于振動而塌毀；引起噪聲污染；影響精密儀器設備的功能，降低機械加工的精度和光潔度；加劇構件的疲勞和磨損，縮短機器和結構物的使用壽命；消耗機械系統的能量，降低機器效率；機翼的顫振、機輪的擺振和航空發動機的異常振動，曾多次造成飛行事故；惡化飛機和車船的乘載條件，等等。機械振動第1章 地震，群災之首。強烈的破壞性地震瞬間將房屋、橋梁、水壩等建筑物摧毀，直接給人類造成巨大的災難，還會誘發水災、火災、海嘯、有毒物質及放射性物質泄漏等次生災害。機械振動第1章地震的破壞地震的破壞機械振動第1章唐山唐山大地震大地震機械振動第1章臺灣大地震臺灣大地震機械振動第1章土耳其大地震土耳其大地震機械振動第1章印度洋強震引

4、發海嘯席卷南亞東南亞印度洋強震引發海嘯席卷南亞東南亞機械振動第1章振動引起的轉子系統破壞振動引起的轉子系統破壞機械振動第1章風機用消聲器風機用消聲器大型風機用消聲器進風口結構大型風機用消聲器進風口結構紅色為防銹漆，白色為孔內裝有消聲纖維玻璃機械振動第1章電話亭內裝超細電話亭內裝超細吸聲棉的吸聲平板吸聲棉的吸聲平板會議室用的隔聲吸聲屏風會議室用的隔聲吸聲屏風車間頂上的吸聲屏障車間頂上的吸聲屏障機械振動第1章汽車排氣管用消聲器汽車排氣管用消聲器法國法國VOLVO客車內的吸聲毛絨客車內的吸聲毛絨機械振動第1章一種吸聲型的聲屏障結構一種吸聲型的聲屏障結構利用聲屏障將聲源利用聲屏障將聲源和保護目標隔開和

5、保護目標隔開機械振動第1章高架橋上的吸聲屏障高架橋上的吸聲屏障高架橋上的吸聲高架橋上的吸聲與隔振組合屏障與隔振組合屏障機械振動第1章美國高速公路用混凝美國高速公路用混凝土板墻做聲屏障，聲土板墻做聲屏障，聲衰減衰減710dB日本日本吸聲吸聲型聲型聲屏障屏障中國第一座公中國第一座公路聲屏障，降路聲屏障，降噪量為噪量為10.5dB機械振動第1章振動的利用 “振動利用工程學” 是20世紀后半期逐漸形成和發展起來的一門新學科，振動利用工程的發展使世人矚目。就振動機械來說，目前已成功應用于工礦企業中的振動機器已發展到數百種之多，在許多部門，如采礦、冶金、煤炭、石油化工、機械、電力、水利、土木、建筑、建材、

6、鐵路、公路交通、輕工、食品和谷物加工、農田耕作以及在人類日常生活過程中，數以萬計的振動機器和振動儀器已成功用來完成許多不同的工藝過程，如給料、上料、輸送、篩分、布料、烘干、冷卻、脫水、選分、破碎、粉磨、光飾、落砂、成形、整形、振搗、夯土、壓路、攤鋪、鉆挖、裝載、振倉、犁土、沉樁、拔樁、清理、捆綁、采油、時效、切削、檢樁、檢測、勘探、測試、診斷等等。機械振動第1章振動傳輸振動造型振動打樁振動篩選振動破碎振動研磨振動拋光振動采油海浪發電鐘表 音樂 振動時效振動烘干機械振動第1章 超聲電機（ultrasonic motor ，USM）技術是振動學、波動學、摩擦學、動態設計、電力電子、自動控制、新材料

7、和新工藝等學科的交叉結合的新技術。超聲電機不像傳統的電機那樣，利用電磁力來獲得其運動和力矩。超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動來獲得其運動和力矩的。在這種新型電機中，壓電陶瓷材料盤代替了許許多多的銅線圈。機械振動第1章海浪發電的基本原理是氣室將海浪的波能轉換成空氣往復運動，利用這一氣流帶動發電機發電。 機械振動第1章 超聲診斷儀產生超聲，并發射到人體內，在組織中傳播，遇到正常與有疾病的組織時，便會產生反射與散射，儀器接到這種信號后，加以處理，顯示為波形、曲線或圖像等，就可以供醫生做判斷組織或器官健康與否的依據。 機械振動第1章故障診斷或健康檢測原理示意圖故障診斷或健康檢測原理示意圖機

8、械振動第1章在實際工程和日常生活中，振動問題隨處可見 工程系統如機械、車輛、船舶、飛機、航天器、建筑、橋梁等都經常處在各種激勵的作用下，因而會不可避免地產生各種各樣的振動，可見振動力學在工程實際中有著廣泛的應用。例如在機械、電機工程中，振動部件和整機的強度和剛度、大型機械的故障診斷、精密儀器設備的防噪和減振等問題；在交通運輸、航空航天工程中，車輛舒適性、操縱性和穩定性等問題，海浪作用下船舶的模態分析和強度分析，飛行器的結構振動和聲疲勞分析等問題；在電子電信、輕工工程中，通信器材的頻率特性、音響器件的振動分析等問題；在土建、地質工程中，建筑、橋梁等結構物的模態分析，地震引起結構物的動態響應，礦床

9、探查、爆破技術的研究等問題；在醫學、生物工程中，腦電波、心電波、脈搏波動等信號的分析處理等問題。 機械振動第1章潮汐是一種周期性振動。雖然引起潮汐的原因很復雜，目前公認的是月球引潮觀點，構成“引潮力”的兩個因素為：(1)月球的引力；(2)地球繞地月公共質心轉動而產生的離心力。除月球外太陽的“引潮力”是比較突出的，日月引潮力影響天氣氣候，特別當日、月、地同處一條直線上時，引潮力的共振減壓效應最為顯著，幾乎所有的突發性特大自然災害，都是在內部條件基本具備情況下遇到此種觸發因素而發生的。潮汐的研究對航海與船舶進出港、漁業、潮汐發電等十分有用。自然界中的振動現象自然界中的振動現象人們可以根據逐年的氣象

10、情況統計出氣候周期性的振動規律，根據這一規律可預估氣候趨勢，對生產與生活、抗洪和抗旱、防災及減災等有著重要的意義。機械振動第1章車車輛輛減減振振系系統統機械振動第1章船只的振動船只的振動機械振動第1章航空和航天航空和航天機械振動第1章車載火炮穩定系統車載火炮穩定系統 在坦克炮塔內，陀螺儀、加速度計及角度傳感器不斷地測定各種運動載荷，車載計算機根據這些信息計算并發出抵消這些運動的控制指令，通過伺服系統使炮塔相對于底盤水平轉動、火炮相對于炮塔高低俯仰，從而使坦克即使在不斷顛簸的運動中也能將火炮準確地對準目標。機械振動第1章機械振動第1章壓氣機的振動通過地面會影響到周圍的儀器設備壓氣機的振動通過地面

11、會影響到周圍的儀器設備 機械振動第1章纜車上裝有減振器纜車上裝有減振器機械振動第1章各種形狀的疊層減振器各種形狀的疊層減振器機械振動第1章 在諾曼底橋采用了斜拉索上垂直方向布置輔助加固索(二次索)以防止斜拉索振動和非線性變形增大。 機械振動第1章岳陽洞庭湖大橋拉索風雨振及磁流變拉索減振機械振動第1章長沙洪山橋磁流變拉索減振機械振動第1章 振動系統模型按系統的不同性質可分為：離散系統與連續系統常參數系統與變參數系統線性系統與非線性系統確定系統與隨機系統1.2 振動系統模型振動系統模型機械振動第1章 1離散系統與連續系統離散系統與連續系統 離散系統是由集中參數元件組成的，基本的集中參數元件有三種：

12、 (1)質量(包括轉動慣量)模型只具有慣性。(2)彈簧模型只具有彈性，其本身質量可以 略去不計。(3)阻尼模型既不具有彈性，也不具有慣性。它是耗能元件，在有相對運動時產生阻力。質量m、彈簧k 、阻尼c。 連續系統是由彈性體元件組成的，彈性體的慣性、彈性與阻尼是連續分布的，故亦稱為分布參數系統。桿、梁、軸、板、殼等機械振動第1章 如果一個振動系統的各個特性參數（質量、剛度、阻尼系數等）都不隨時間而變化，即它們不是時間的顯函數，這個系統就稱為常參數系統（或不變系統）。 否則，稱為變參數系統(或參變系統)。2. 2. 常參數系統與變參數系統常參數系統與變參數系統機械振動第1章3線性系統與非線性系統線

13、性系統與非線性系統 如果一個振動系統的質量不隨運動參數而變化，而且系統的彈性力和阻尼力都可以簡化為線性模型，則稱為線性系統。 凡是不能簡化為線性系統的振動系統都稱為非線性系統。機械振動第1章4確定系統和隨機系統確定系統和隨機系統 確定系統的系統特性可用時間的確定性函數給出。 隨機系統的系統特性不能用時間的確定性函數給出，只具有統計規律性。機械振動第1章簡單的振動模型機械振動第1章汽車車身的振動模型有限元模型圖示有限元模型圖示機械振動第1章振動篩篩框模態分析及動態響應有限元模型圖示有限元模型圖示機械振動第1章 一個實際振動系統系統，在外界激勵激勵的作用下，會呈現出一定的振動響應振動響應。這種激勵

14、就是系統的輸入輸入，響應就是輸出輸出，二者通過振動系統聯系起來(如下圖）。1.3 激勵與響應激勵與響應機械振動第1章一一.系統激勵可分為兩大類系統激勵可分為兩大類1.1.確定激勵確定激勵 可以用時間的確定函數來描述的激勵屬于確定激勵。2隨機激勵隨機激勵 隨機激勵不能用時間的確定函數來描述，但它們具有一定的統計規律性，因而可以用隨機過程來描述。機械振動第1章二二.系統響應同樣可以分為兩大類系統響應同樣可以分為兩大類1.確定響應 系統的響應是時間的確定函數。(1)根據響應存在時間分為： 瞬態振動的響應在較短的時間中會逐漸消失。 瞬態響應和穩態響應。穩態振動的響應可持續充分長時間。(2) 根據響應是

15、否有周期性還可分為：簡諧響應，周期響應，非周期響應和混沌。機械振動第1章2隨機響應隨機響應 系統的響應為時間的隨機函數，只能用概率統計的方法描述。 無論是確定系統，還是隨機系統，在隨機激勵的作用下，振動系統的響應一定為隨機響應。 如果是隨機系統，即使在確定激勵的作用下，系統的響應亦是隨機的。機械振動第1章機械振動第1章機械振動第1章兩組天氣模式是怎樣分道揚鑣的。兩條曲線表示的初始條件僅相差0.0001。起初它們看來要重合，但不久混沌動力學特性導致獨立的、十分歧異的軌線。 1961年Lorenz和Edward從幾乎相同的出發點開始計算出的天氣模式的差別愈來愈大，終至毫無相似之處。真是“失之毫厘，

16、謬以千里。” 機械振動第1章混沌中的有序窗口混沌中的有序窗口 Lorenz吸引子吸引子機械振動第1章海岸線的分形結構：放大時出現的新的灣和岬，并且仍然與實際的海岸線很相似。 樹的分形贗品。用分形技術在計算機上產生的逼真、別致的樹。機械振動第1章振動現象按系統相應的性質可分為兩大類:確定振動與隨機振動。 1對于一個確定系統，在受到確定激勵時，響應也是確定的。這類振動稱為確定振動。 2對于確定系統，在受到隨機激勵時，系統的響應是隨機的。這類振動稱為隨機振動。 隨機振動只能用概率統計的方法來描述。 對于隨機結構系統來說，無論是受到確定激勵，還是隨機激勵，其響應均為隨機的，這類振動稱為隨機結構(系統)

17、振動。1.4 振動的分類振動的分類機械振動第1章此外，還可以按激勵的控制方式分類如下所述。1自由振動：系統受初始激勵后不再受外界 激勵的振動。2強迫振動：系統在外界控制的激勵作用下 的振動。3自激振動：系統在自身控制的激勵作用下 的振動。4. 參激振動： 系統自身參數變化激發的振動。機械振動第1章1. 振動問題 不論是確定的還是隨機的振動問題，一般說來，無非是在激勵、響應和系統特性三者之中已知兩者求第三者。(1)振動分析：(2)系統識別： 在激勵條件與系統特性已知的情形下，求系統的響應，就是所謂振動分析。 在激勵與響應已知的情形下，來確定系統的特性，就是所謂振動特性測定或系統識別。1.5 振動

18、問題及其解決方法振動問題及其解決方法機械振動第1章(3)振動設計：(4)振動環境預測： 實際的振動問題往往是錯綜復雜的，它可能同時包含識別、分析和設計等幾個方面的問題。 在一定的激勵條件下，如何來設計系統的特性，使得系統的響應滿足指定的條件，這就是所謂振動綜合或振動設計。 在系統特性和響應已知的情形下，求激勵，即判別系統的環境特性，就是所謂振動環境預測。 機械振動第1章2 2解決振動問題的方法解決振動問題的方法 實驗研究實驗研究機械振動第1章計算技術在振動力學中的應用工程實際振動問題的計算結構動力學機械振動第1章計算技術在汽車振動分析中的應用用計算機模擬整車的動力學特性機械振動第1章計算工程軟

19、件在振動分析中的應用發動機的有限元分析的動態演示機械振動第1章計算技術在飛機振動分析中的應用飛機機翼的振動演示機械振動第1章計算結構動力學在振動分析中的應用工程實際振動問題的動態演示機械振動第1章計算工程軟件在振動分析中的應用橋梁振動的動態演示機械振動第1章第一階振型圖第二階振型圖風振響應圖有限元圖計算工程軟件在振動分析中的應用北京植物園展覽溫室風振響應機械振動第1章計算工程軟件在振動分析中的應用渦輪機頻率分析的動態演示機械振動第1章振動在汽車碰撞中的應用汽車側面碰撞變形的動態演示機械振動第1章振動在汽車碰撞中的應用汽車正面碰撞的演示機械振動第1章振動在汽車碰撞中的應用汽車正面碰撞的振型演示車

20、身第9階自振頻率車身第10階自振頻率車身第12階自振頻率機械振動第1章振動在汽車碰撞中的應用碰撞場景碰撞結果碰撞前碰撞中碰撞后汽車碰撞實景以及前后分析圖解機械振動第1章振動力學在現代科技的應用機械振動第1章振動力學在現代科技的應用納米管的端部為一個基 因，相當于單自由度系統，可通過測量系統的頻率計算出基因的質量。 1999年Science 雜志機械振動第1章振動力學在現代科技的應用納米管振動 的幅頻特性與單自由度系統特性完全相同，且共振頻率很高，達 2.4 MHz，因此以納米管作為振動傳感器可以獲得很寬頻帶的傳感器。 1999年Science 雜志機械振動第1章 線性條件下，被測試的結構的振動特性是結構固有的，可以用不同的數學模型描述，但這些模型均是對結構特征值的近似表示，關鍵在于解決實驗模型和結構實際特性之間的近似程度問題。 測試系統應包括：試驗結構、激勵系統、測測試系統應包括：試驗結構、激勵系統、測量系統、分析系統、檢測系統。量系統、分析系統、檢測系統。機械振動第1章 光測法：將機械振動轉換為光信息進行測量的方法。 電測法：機電變換原理。 機械法：杠桿（相對式接觸式）或慣性原理（絕對式接觸式）接收并記錄振動的方法。振動測試方法如下所述。振動測試方法如下所述。機械振動第1章感應式振動試驗臺