機(jī)械振動(dòng)第二章要點(diǎn)_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、第一章緒論§ 1-1引言機(jī)械振動(dòng) 是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式,是指物體在其平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。例如,鐘擺的擺動(dòng),刀具的顫動(dòng),車輛車體的晃動(dòng),機(jī)器、橋梁、房屋和水壩的振動(dòng)等,都是機(jī)械振動(dòng)。1956年,J.P.DenHartog (鄧哈托)在其名著機(jī)械振動(dòng)的序言中指出:“在1934年沒有任何振動(dòng)知識(shí)的機(jī)械工程師也被認(rèn)為是受過良好教育的,但是在今天這些振動(dòng)知識(shí)卻是十分迫切需要的,幾乎對(duì)每一個(gè)機(jī)械工程師都是必要的工具。”四十年來,實(shí)踐越來越證明鄧氏論斷的正確。一方面由于機(jī)器運(yùn)行速度的普遍提高,振動(dòng)和噪聲日益嚴(yán)重,人們迫切要求改進(jìn)機(jī)器的動(dòng)態(tài)特性,以提高使用質(zhì)量并減少對(duì)環(huán)境造成的污染;另一

2、方面,振動(dòng)理論也隨之得到了迅速的發(fā)展,特別是數(shù)字電子計(jì)算機(jī)和電子儀器的發(fā)展和完善,使振動(dòng)分析的方法和手段發(fā)生了飛躍性的變革?,F(xiàn)在振動(dòng)已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科,幾乎可以對(duì)任何復(fù)雜的機(jī)器和結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析和綜合。因此,今天的工程師們需要而且能夠獲得和掌握有關(guān)振動(dòng)的理論和方法,事實(shí)上近年來許多工科院校的專業(yè),都開設(shè)了有關(guān)振動(dòng)的課程。許多研究單位和工廠還舉辦了多種形式的振動(dòng)短訓(xùn)班、或在短訓(xùn)班中開設(shè)振動(dòng)課程。對(duì)工程專業(yè)的學(xué)生講授振動(dòng)課程,選擇合適的教材是一個(gè)關(guān)鍵。 國(guó)內(nèi)外“振動(dòng)理論”課程的一些名著,如Thomson和Meirovitch 的著作,在份量和敘述方式上都不盡合適。針對(duì)少學(xué)時(shí)(約3036學(xué)時(shí))

3、的工科本科生的需要, 在19831996年期間對(duì)本科生和工程師短訓(xùn)班的十五次講授中, 博采國(guó)內(nèi)外一些較好著作的內(nèi)容, 較好的敘述方式, 曾三次編寫“機(jī)械振動(dòng)”講義,試圖使讀者在學(xué)習(xí)中能做到:學(xué)習(xí)振動(dòng)分析的基本理論和方法, 掌握現(xiàn)代數(shù)學(xué)和電子計(jì)算機(jī)這一強(qiáng)有力工具的初步應(yīng)用; 隨機(jī)振動(dòng)入門, 著重于基本概念及其數(shù)學(xué)方法的工程應(yīng)用實(shí)例;噪聲的基本概念和測(cè)試方法;為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)應(yīng)用打下基礎(chǔ),但內(nèi)容又不過多、過深,略去定量的證明和公式繁瑣的推導(dǎo)。 “機(jī)械振動(dòng)” 講義注重實(shí)用性、 實(shí)例的重點(diǎn)闡述, 計(jì)算機(jī)例題的上機(jī)操作求解等基本技能的訓(xùn)練。第二章敘述常系數(shù)線性微分方程的基本解法。 在給工科專業(yè)高年級(jí)學(xué)生

4、講授振動(dòng)課程時(shí),實(shí)踐證明對(duì)學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)是切實(shí)需要的。第三章“單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)”,第四章“二自由度系統(tǒng)的振動(dòng)”是研究振動(dòng)基本理論的基礎(chǔ),這兩章是研究多自由度系統(tǒng)振動(dòng)的入門。第五章“多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)”,介紹系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程建立的方法,多自由度系統(tǒng)的固有頻率和振型, 它們與標(biāo)準(zhǔn)特征值問題的特征方程、 特征值和特征向量的 (物理數(shù)學(xué)) 的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 多自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的矩陣組成方法的基本步驟及其應(yīng)用。第六章“特征值問題”,介紹狀態(tài)空間法、雅可比法、 QR 法的應(yīng)用,特征值和特征向量的工程處理方法,特征向量的規(guī)格化問題。有關(guān)FORTRAN7語言編制程序一多自由度系統(tǒng)特征值問題求解程序基本應(yīng)用步

5、驟,車體二自由度懸掛系統(tǒng)實(shí)例等編入本書末的附錄一中。第七章“隨機(jī)振動(dòng)入門”,介紹隨機(jī)振動(dòng)的數(shù)學(xué)應(yīng)用,階躍激勵(lì)、脈沖激勵(lì)和任意激勵(lì)的響應(yīng)卷積積分(杜哈美積分)。隨機(jī)激勵(lì)下響應(yīng)的付利葉積分法。隨機(jī)振動(dòng)理論的初步應(yīng)用。振動(dòng)對(duì)人體的影響, ISO2631 標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)車車輛工程和汽車工程的應(yīng)用實(shí)例。第八章“噪聲的測(cè)量”,介紹聲學(xué)及噪聲的基礎(chǔ)知識(shí),噪聲測(cè)量?jī)x表,測(cè)量方法,并附有噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。本講義自 1983 年開始教學(xué)實(shí)踐以來,經(jīng) 1987、 1990、 1997 年三次修訂而成。由陳石華教授(第一至六章)、劉永明博士、副教授(第七章)、施紹祺高級(jí)工程師(第八章)編寫,全書由劉永明制圖、電腦排版。由

6、于時(shí)間倉促、水平有限,書中不妥之處,熱誠(chéng)地歡迎讀者指正。編者2000.7§ 1-2 振動(dòng)研究的基本問題振蕩( oscillatopn ) 一詞從廣義上說是泛指自然界中某種物理狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生的反復(fù)變化。 如再縮小些范圍,可以指物體隨時(shí)間而作的反復(fù)運(yùn)動(dòng)。 本課程著重研究機(jī)器在其靜平衡位置附近的微小彈性運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)通常稱為振動(dòng)( vibration ) .總的來說,許多振蕩現(xiàn)象是造福于人類的,如光和電磁波的激發(fā),樂器的發(fā)聲,以及振動(dòng)機(jī)器的利用。 但是, 對(duì)于多數(shù)機(jī)器和結(jié)構(gòu)來說振動(dòng)卻帶來不良的影響。 由于振動(dòng),降低了機(jī)器的動(dòng)態(tài)精度和使用性能: 機(jī)床振動(dòng)會(huì)降低工件的加工精度; 軍械振動(dòng)將影響

7、瞄準(zhǔn); 起重機(jī)振動(dòng)使裝卸發(fā)生困難; 機(jī)車車輛振動(dòng)降低了乘坐舒適度和運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)等等。 為了解決這些問題, 既有需要提高機(jī)器本身的制造精度, 也有需要設(shè)置專門的裝置或引入復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 由于振動(dòng), 機(jī)器在使用過程中往往產(chǎn)生巨大的反復(fù)變動(dòng)的載 荷, 這將導(dǎo)致機(jī)器使用壽命的降低, 甚至釀成災(zāi)難性的破壞事故。 如大橋因共振而毀壞;煙囪因風(fēng)振而倒坍; 飛機(jī)因顫振而墜落等等, 文獻(xiàn)均有記載。 為了防止這些事故的發(fā)生,若不針對(duì)事故的原因作正確的分析和研究,設(shè)計(jì)人員往往傳統(tǒng)方式地加大結(jié)構(gòu)斷面尺寸,導(dǎo)致機(jī)器重量增加和材料的浪費(fèi)。此外,由于振動(dòng)而產(chǎn)生的環(huán)境噪聲,日益形成令人厭惡的公害, 對(duì)機(jī)器的操作人員、 司

8、機(jī)乘務(wù)人員危害尤其直接。 根據(jù)生物工程的研究,人體各器官對(duì)于120Hz的低頻振動(dòng)特別感到不適,而高頻振動(dòng)及其噪聲也會(huì)使人感到煩躁、 厭倦和疲勞。 由此可見, 振動(dòng)的研究對(duì)機(jī)器的使用和設(shè)計(jì)都具有極其重要的實(shí)際意義。 隨著機(jī)器的速度、 運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量及復(fù)雜程度的不斷增加, 這種研究的迫切性也大大地增長(zhǎng)了。 振動(dòng)研究的總目標(biāo), 是探究這些振動(dòng)產(chǎn)生的原因和它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 振動(dòng)對(duì)機(jī)器和人體的影響,尋求控制和消除振動(dòng)的方法。大體上有以下幾個(gè)方面:( 1 )確定系統(tǒng)的固有頻率,預(yù)防共振的發(fā)生;( 2 )計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng),以確定機(jī)器受到的動(dòng)載荷或振動(dòng)的能量水平;( 3 )研究平衡、隔振和消振方法,以消除振動(dòng)的影

9、響;( 4 )研究自激振動(dòng)及其它不穩(wěn)定振動(dòng)產(chǎn)生的原因,以便有效地控制;( 5 )進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè),分析事故原因及控制環(huán)境噪聲;( 6 )振動(dòng)技術(shù)的利用。在振動(dòng)研究中,通常把所研究的對(duì)象(如一臺(tái)機(jī)器)稱為系統(tǒng)(system),把外界對(duì)系統(tǒng)的作用或機(jī)器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力稱為激勵(lì)( excitation)或輸入(input),把機(jī)器或結(jié) 構(gòu)在激勵(lì)作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)行為稱為響應(yīng)(response)或輸出(output)。振動(dòng)分析就是研究這三者之間的相互關(guān)系,若輸出對(duì)輸入有反作用的影響就稱為反饋(feedback)該系統(tǒng)就稱為反饋系統(tǒng)。 從計(jì)算分析的觀點(diǎn)來看, 知道其中兩者就可求得第三者。 工程 振動(dòng)分析所要解決的

10、問題又可歸納為:( 1 )響應(yīng)分析;( 2 )系統(tǒng)設(shè)計(jì);( 3 )系統(tǒng)識(shí)別;( 4 )環(huán)境預(yù)測(cè)。關(guān)于控制振動(dòng)的方法原則上可以分為三個(gè)方面:(一)控制振源,減小振動(dòng):( 1 )平衡運(yùn)動(dòng)質(zhì)量;( 2 )提高工藝要求,改善運(yùn)動(dòng)件加工精度;( 3 )少采用振動(dòng)強(qiáng)烈的機(jī)械;( 4 )平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)過程(車、船、飛機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程)。(二)隔離振源,保護(hù)設(shè)備和人員。一般分為主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振,以及整體隔振和局部隔振。(三)避免共振,減弱系統(tǒng)的響應(yīng):( 1 )避免共振,減少共振頻率點(diǎn);( 2 )消耗能量,減弱系統(tǒng)的響應(yīng);( 3 )動(dòng)力吸振,減弱系統(tǒng)的響應(yīng)。1-3 振動(dòng)分析的力學(xué)模型我們知道, 一臺(tái)機(jī)器或結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生

11、振動(dòng)是因?yàn)樗旧砭哂匈|(zhì)量和彈性。 阻尼則使振動(dòng)受到抑制。從能量關(guān)系來看,質(zhì)量可以儲(chǔ)存動(dòng)能,彈性可以儲(chǔ)存勢(shì)能,而阻尼則消耗能量。 當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)作功時(shí), 系統(tǒng)的質(zhì)量就吸收能量因而就具有運(yùn)動(dòng)速度, 彈簧就儲(chǔ)存變形能,因而就具有使質(zhì)量恢復(fù)原來狀態(tài)的能力。這樣,能量不斷地變換,就導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量的反復(fù)運(yùn)動(dòng)。 如果沒有外界源源不斷地輸入能量, 那么由于阻尼的消耗, 振動(dòng)現(xiàn)象將逐漸停息。由此可見, 質(zhì)量 、 彈性 和 阻尼 是振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型三要素。此外,質(zhì)量離開其平衡位置時(shí)具有位能(在重力場(chǎng)中),因此也具有恢復(fù)力,如單擺,可以把這種情況看作為具有等效彈簧的系統(tǒng)。本教程各章討論的都是離散系統(tǒng)。 所謂 離散系統(tǒng)

12、, 就是將實(shí)際上是分布參數(shù)的系統(tǒng)(即連續(xù)系統(tǒng)) 經(jīng)過簡(jiǎn)化, 把它簡(jiǎn)化成具有若干集中重量并由相應(yīng)的彈簧和阻尼器聯(lián)接在一起的系統(tǒng)。 我們使用質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的方法, 關(guān)鍵的第一步就是把研究對(duì)象及外界的作用簡(jiǎn)化為一個(gè)力學(xué)模型, 不僅要簡(jiǎn)單, 而且在動(dòng)態(tài)特性方面應(yīng)與原來的對(duì)象等效。 因此必須抓住主要矛盾,略去次要因素,對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化,即模型化。動(dòng)力學(xué)模型就是振動(dòng)計(jì)算時(shí)用以代表實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過簡(jiǎn)化了的模型在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中則稱為當(dāng)量系統(tǒng)。如果實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量、 一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器組成, 而質(zhì)量在空間的位置可以用一個(gè)坐標(biāo)完全地描述, 則這個(gè)系統(tǒng)稱為單自由度系統(tǒng)。 如果系統(tǒng)的質(zhì)量在空間的位置必須由多個(gè)獨(dú)立

13、的坐標(biāo)才能完全地描述, 則稱為多自由度系統(tǒng)。 質(zhì)量的個(gè)數(shù)一般等于或少于系統(tǒng)的自由度數(shù), 因?yàn)橐粋€(gè)質(zhì)點(diǎn)在空間有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng), 一個(gè)剛體在空間則有六個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。下面將彈簧、阻尼器和質(zhì)量的特性予以說明。( 1 )彈簧。 這是表示力與位移關(guān)系的元件,它被抽象為無質(zhì)量并具有線性彈性的元件。若它的一端受一作用力 Fs,則另一端必產(chǎn)生一個(gè)大小相等、方向相反的力,力的大小與彈簧兩端的相對(duì)位移成正比:Fs=kM-Xi)(1-1)式中k為彈簧常數(shù)或 剛度系數(shù),Xi、x2是彈簧兩端的位移。在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中扭轉(zhuǎn)彈簧剛 度系數(shù)用符號(hào)k鏟表示,廣義力為扭矩,廣義位移為角度,三者建的關(guān)系式與式 (1-1) 類似。(2)阻尼

14、器。這是表示力與速度關(guān)系的元件,它被抽象為無質(zhì)量,具有線性阻尼系數(shù)的元件。若它的一端受一Fd力的作用,則另一端必產(chǎn)生一個(gè)大小相等、方向相反的力,稱為阻尼力,其大小與阻尼器兩端的相對(duì)速度成正比:Fd =c(X2 -Xi)(1-2)式中c為阻尼系數(shù),x1、x2是阻尼器兩端的速度。式(1-2)的阻尼力Fd與相對(duì)速度 的一次方成正比,粘性阻尼具有這種關(guān)系,故系數(shù)c又稱為粘性阻尼系數(shù)。由于引用了 這種線性阻尼在數(shù)學(xué)解題上帶來了很大的方便。(3)質(zhì)量。表示力和加速度關(guān)系的元件。它被抽象為絕對(duì)不變形的剛體,若對(duì)質(zhì) 量施加一作用力 Fm ,質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與 Fm同方向的加速度X,對(duì)于直線平移運(yùn)動(dòng), 力與加速

15、度的關(guān)系為Fm umx(1-3)式中m是比例常數(shù),它是剛體所具有的慣性的一種度量,稱為剛體質(zhì)量。對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng),廣義力為扭矩,廣義加速度為角加速度,式(1-3)的比例常數(shù)為剛體繞其中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,通常以 J標(biāo)記。在國(guó)際單位制(SI)中,質(zhì)量單位為千克(kg)(又稱公斤),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的單位為千克米2 ( kg,m2),力的單位為牛頓(N),位移的單位為米(m),扭矩的單位為牛頓米(N,m),速度的單位為米/秒(m/s),直線彈簧剛度系數(shù)的單位為牛頓/米(N/m),扭轉(zhuǎn)彈簧剛度系數(shù)的單位為牛頓米/弧度(Nm/rad)。據(jù)此可導(dǎo)出阻尼系數(shù)c的單位為牛頓秒/米(Ns/m)。(注:在第二章末尾較詳細(xì)地

16、列出了有關(guān)的基本單位制(SI單位制、美國(guó)慣用單位制等等)和振動(dòng)系統(tǒng)基本參數(shù)的名稱、符號(hào)和量綱)圖1-1 (a)表示有阻尼單自由度平移系統(tǒng)的力學(xué)模型,表示了力學(xué)模型中三個(gè)元件的最通用的畫法。圖 1-1 (b) (c)有阻尼單自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型和無阻尼多自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型的畫法。平移系統(tǒng)和扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)在力學(xué)上是等效的,對(duì)一種系統(tǒng)討論的原理和方法原則上適合于另一系統(tǒng)。從實(shí)際的機(jī)器抽象出力學(xué)模型是一個(gè)復(fù)雜的工作,它要求對(duì)所研究的對(duì)象及所分析的問題本身有比較透徹的了解。圖二中共有六個(gè)例子,簡(jiǎn)述如下:(a)汽車車身振動(dòng);(b)人體受基礎(chǔ)激勵(lì)的振動(dòng)(宇航員座椅、人頭部的質(zhì)量假定為5.44kg ,

17、人體脊柱的剛度系數(shù)k約為21.89N/mm,測(cè)得座椅加速度 u,可解得人頭部受到的尖峰響應(yīng));(c)結(jié)構(gòu)物的水平振動(dòng)(一座三層樓房受地面地震水平方向激勵(lì),通??梢月匀ブ蛹皦Ρ诘馁|(zhì)量,而將它們看成有彈性的構(gòu)件,樓板看成具有質(zhì)量的絕對(duì)剛體);(d)起重機(jī)突然起吊載荷時(shí)的振動(dòng),研究突然起吊物品時(shí)繩索及橋架結(jié)構(gòu)中的動(dòng)力響應(yīng),m1是小車加橋架質(zhì)量之半, m2是物品質(zhì)量,k1是橋架跨中的剛度,k2是鋼絲繩的剛度。(e) 機(jī)器的隔振。設(shè)計(jì)隔振裝置,計(jì)算機(jī)械裝置的振動(dòng)傳遞給地基的力時(shí)可簡(jiǎn)化為二自由度 的隔振模型。(f)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。一臺(tái)四缸柴油機(jī)直接與發(fā)電機(jī)連接的動(dòng)力裝置,力學(xué)模型由五個(gè)圓盤及無質(zhì)

18、量彈性軸組成,J1 J4表示四個(gè)活塞連桿曲軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, J5是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,k。一 k京分別表示曲軸和聯(lián)軸器的當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度。本教程重點(diǎn)是講授振動(dòng)分析的基本方法,是在已知力學(xué)模型的情況下進(jìn)行分析的。關(guān)于各種專業(yè)機(jī)器和結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型的建立方法,將是各專業(yè)課程的任務(wù)。前面已討論振動(dòng)系統(tǒng)受干擾力作用時(shí)產(chǎn)生振動(dòng),稱此干擾為激勵(lì)。系統(tǒng)激勵(lì)可以分為兩大類:確定性激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)。確定性函數(shù)描述的激勵(lì)稱為確定性激勵(lì),如脈沖、 階躍、簡(jiǎn)諧、周期激勵(lì)等都是典型的確定性激勵(lì),系統(tǒng)的響應(yīng)也是確定性的。這類振動(dòng) 稱為確定性振動(dòng)。隨機(jī)激勵(lì)則不能用時(shí)間的確定性函數(shù)來描述, 然而它卻具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律, 可以 用

19、隨機(jī)函數(shù)和隨機(jī)過程描述。 在受到隨機(jī)激勵(lì)時(shí), 系統(tǒng)的響應(yīng)也是隨機(jī)的。 這類振動(dòng)稱 為隨機(jī)振動(dòng)。此外,按激勵(lì)的控制方式可分為四類:(1)自由振動(dòng);(2)強(qiáng)迫振動(dòng);(3)自激振動(dòng),它定義為振動(dòng)系統(tǒng)在受本身控制的激勵(lì)作用下發(fā)生的振動(dòng)。在適當(dāng)?shù)姆答佔(zhàn)饔孟?,振?dòng)系統(tǒng)會(huì)激起恒幅振動(dòng)。一旦振動(dòng)被抑制,激勵(lì)也隨之消失了。(4)參變振動(dòng),指激勵(lì)方式通過周期地或隨機(jī)地改變系統(tǒng)的特性參數(shù)的激勵(lì)方式而實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)。這樣歸納起來,振動(dòng)形式的分類如下:按激勵(lì)性質(zhì)分 確定性振動(dòng).隨機(jī)振動(dòng)振動(dòng)形式自由振動(dòng)(強(qiáng)迫振動(dòng)按激勵(lì)控制方式分 自激振動(dòng)I參變振動(dòng)§ 1-4 研究振動(dòng)的意義和它在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用很早以前,人們就利用

20、振動(dòng)原理把衣服上的塵埃抖掉。到1673年,C.惠更斯(C.Huyghens)首次提出物理擺理論。1914年以前,人們關(guān)心機(jī)械振動(dòng)主要集中在避免共振上,研究重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)物的固有頻率、衰減率、共振和主振型的確定。1921年,H.霍爾茲(H.Holzer )提出解決軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法,利用微振動(dòng)理論解決了不少確定性振動(dòng)問題,但是有些問題還沒有解決。到了二十世紀(jì)三十年代,對(duì)機(jī)械振動(dòng)的研究開始由線性向非線性方向發(fā)展。五十年代起因高速飛機(jī)和火箭技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械振動(dòng)從確定性振動(dòng)發(fā)展到隨機(jī)振動(dòng)。七十年代以來,自動(dòng)控制理論。尤其是電子計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)、 FFT 信號(hào)處理技術(shù)的出現(xiàn),使人們有可能解決十分復(fù)

21、雜的振動(dòng)問題,促進(jìn)了振動(dòng)學(xué)科的迅速發(fā)展, 促使它在各個(gè)工程領(lǐng)域中得到迅速發(fā)展。 振動(dòng)是一門古老而又有發(fā)展前途的學(xué)科 .無論是機(jī)器、建筑物、橋梁、車輛、船舶、飛機(jī)、衛(wèi)星等等,都處在各種激勵(lì)的作用下, 發(fā)生各種各樣的振動(dòng)。 嚴(yán)重的振動(dòng)將對(duì)機(jī)器儀器設(shè)備以及人員帶來各種危害, 概括起來有如下幾方面:( 1 )強(qiáng)烈而持續(xù)的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞, 1979 年美國(guó)DC 10 大型客機(jī)曾因一枚螺栓疲勞斷裂而導(dǎo)致機(jī)毀人亡。 1973 年日本大型汽輪發(fā)電機(jī)組曾因軸承振動(dòng)疲勞而擴(kuò)展至轉(zhuǎn)子折斷, 轉(zhuǎn)子塊飛出幾百米, 造成嚴(yán)重破壞。 美國(guó)塔柯馬大橋因風(fēng)激勵(lì)引起振動(dòng)而斷毀, 以及強(qiáng)地震帶來的嚴(yán)重破壞等等。 在機(jī)器和

22、設(shè)備的設(shè)計(jì)中, 精心地進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算,防止疲勞破壞的發(fā)生,預(yù)估使用壽命,確保設(shè)備的安全免使人員受害,是一個(gè)非常迫切的問題。( 2 )強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的失效,它會(huì)使儀器儀表的精度降低,元件破壞,甚至失靈。強(qiáng)烈或持續(xù)的振動(dòng)會(huì)使機(jī)件松動(dòng),密封破壞,以致不能工作。振動(dòng)環(huán)境對(duì)儀器設(shè)備的可靠性也造成嚴(yán)重的威脅。( 3 )強(qiáng)烈的振動(dòng)不僅損害人體、機(jī)器和儀器,它又是噪聲的主要來源,強(qiáng)噪聲造成嚴(yán)重的環(huán)境污染, 使人不能正常工作, 造成各種職業(yè)病或污染性危害, 危及人類健康。然而,振動(dòng)也有其有利的一面。例如,振蕩是通訊、廣播、電視、雷達(dá)等工作的基礎(chǔ)。五十年代以來,陸續(xù)出現(xiàn)了許多利用振動(dòng)生產(chǎn)裝備和工藝。例如,振動(dòng)

23、傳輸、振動(dòng)篩選、振動(dòng)研磨、振動(dòng)拋光、振動(dòng)沉樁、振動(dòng)消除內(nèi)應(yīng)力、振動(dòng)床醫(yī)療器械等等。它們極大地改善了勞動(dòng)條件,成十、成百倍地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率??梢姡S著生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究的不斷進(jìn)展,振動(dòng)利用將會(huì)與日俱增。目前,振動(dòng)理論已在如下領(lǐng)域得到應(yīng)用:( 1 )機(jī)械工程、電機(jī)工程汽輪機(jī)、柴油機(jī)、水泵的振動(dòng)及其受振部件、整機(jī)的強(qiáng)度和剛度問題的研究; 車輛乘坐舒適性; 操縱機(jī)構(gòu)的操縱性、 靈敏度、 穩(wěn)定性問題;農(nóng)機(jī)、機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性;回轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸節(jié)的扭轉(zhuǎn)解析;齒輪箱、軸承機(jī)構(gòu)的故障診斷和產(chǎn)品檢驗(yàn)等問題;精密機(jī)械設(shè)備的減振、降噪、防沖問題。( 2 )航空工程和宇航工程環(huán)境譜的調(diào)查,飛行器結(jié)構(gòu)振動(dòng)的識(shí)別,聲振疲勞分析,

24、發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)監(jiān)察與控制,損壞前的預(yù)告與故障診斷。( 3 )土建工程地震的解析,地震時(shí)大型結(jié)構(gòu)物(超高層建筑、橋梁、隧洞、水壩、水塔等)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),結(jié)構(gòu)物的模態(tài)分析。( 4 )海洋工程海浪對(duì)船舶、艦艇、海洋平臺(tái)的載荷譜,這些結(jié)構(gòu)物的模態(tài)分析,振動(dòng)強(qiáng)度分析等。( 5)生物醫(yī)療工程一一腦電(EEG、心'電(ECG、肌電(EMG信號(hào)的分析研究,心血管系統(tǒng)動(dòng)力過程的研究, 生物大腦皮下的神經(jīng)反應(yīng)、 人體場(chǎng)的研究, 藥物的反應(yīng)等。( 6 )兵器工程振動(dòng)環(huán)境中兵器的瞄準(zhǔn)性、命中性、可靠性問題,兵器動(dòng)態(tài)特性分析等。( 7 )聲學(xué)工程各種噪聲控制技術(shù),水省、聲發(fā)射技術(shù),語言聲學(xué)、生物語言的研究,音響、錄

25、像機(jī)的變音顫動(dòng)分析等。( 8 )地球物理工程地震信號(hào)的研究,礦床探查,爆破技術(shù)的研究,核爆炸模擬的研究,地層結(jié)構(gòu)的研究等。( 9 )電子與電訊工程數(shù)字通訊動(dòng)態(tài)分析,雷達(dá)結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究,通訊器材的頻率特性,電唱機(jī)放大機(jī)、錄像機(jī)、揚(yáng)聲器的機(jī)械振動(dòng)原因分析等。( 10)鐵路、道路工程公路路面、鐵路軌道的檢驗(yàn),路面譜分析及及其標(biāo)準(zhǔn)的建立, 重載運(yùn)輸工程機(jī)車車輛車鉤載荷譜的建立, 長(zhǎng)大列車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)及制動(dòng)分析, 列車通過鐵路橋梁時(shí)時(shí)的制動(dòng)分析, 機(jī)車車輛對(duì)軌道譜輸入的響應(yīng)分析, 機(jī)車車輛輪軌蠕滑力自激振動(dòng)的穩(wěn)定性分析等。( 11)輕工工程底片薄膜、香煙紙厚度的連續(xù)測(cè)定等。由上述可見,振動(dòng)在工程中的應(yīng)用量

26、大面廣,研究?jī)?nèi)容十分豐富。因此,掌握振動(dòng)規(guī)律顯得十分重要, 也只有掌握了振動(dòng)規(guī)律和特征以后, 才能利用其有益方面, 限制其有害的方面。 現(xiàn)在, 振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)已成為工程技術(shù)人員正確進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)所必備的知識(shí)。§ 1-5 振動(dòng)對(duì)人體工程的影響一、鐵路的平穩(wěn)性指標(biāo)和汽車的平順性指標(biāo)鐵路機(jī)車車輛和汽車在鐵路線路和高速公路上運(yùn)行,產(chǎn)生了振動(dòng)對(duì)人體影響的問題。列入工程領(lǐng)域,五十年代有典型的 Sperling “平穩(wěn)性指標(biāo)”( ride index )是 OREC116 委員會(huì)制定的規(guī)范。有便攜式平穩(wěn)性指標(biāo)測(cè)量?jī)x,按常規(guī),在轉(zhuǎn)向架盤銷上方的地板面上測(cè)定,并且可實(shí)時(shí)測(cè)定和處理。七十年

27、代以來,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在綜合大量有關(guān)人體全身振動(dòng) (汽車和飛機(jī)) 的研究工作和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上, 制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631 人體承受全身振動(dòng)能力的評(píng)價(jià)指南,從而有了國(guó)際通用性標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)也編制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 但是 ISO2631 是以簡(jiǎn)諧振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究成果為基礎(chǔ)制定的, 把它擴(kuò)展到汽車行駛過程 (長(zhǎng)時(shí)間的隨機(jī)振動(dòng)) 以及其他一些沖擊比較大的振動(dòng)環(huán)境的適用性仍有爭(zhēng)論,所以該標(biāo)準(zhǔn)至今還在不斷地補(bǔ)充和修正。上述兩種標(biāo)準(zhǔn)在物理意義上的一致性和指標(biāo)數(shù)量(值)上的差異, (例如兩種標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)頻率加權(quán)函數(shù)曲線的對(duì)比分析論證 )。在文獻(xiàn) 、 、 中均有詳細(xì)討論。人體過程涉及的振動(dòng)包括:汽車、機(jī)車車輛、飛

28、機(jī)的乘坐舒適性;建筑工地、鐵路高速干線、 高架道路、 工廠附近產(chǎn)生的被認(rèn)為是公害的振動(dòng); 工人在勞動(dòng)環(huán)境中受到的振動(dòng),例如拖拉機(jī)、起重機(jī)、叉車等操作工全身受到的振動(dòng)以及鑿巖機(jī)(風(fēng)鎬)、鋸木機(jī)、風(fēng)動(dòng)螺栓擰緊機(jī)等操作工手上受到的局部振動(dòng)等。包括“舒適性、公害性振動(dòng)、操作工全身和局部振動(dòng)”對(duì)人體的影響,可按:( 1)振動(dòng)所加的部位;( 2)方向;( 3 )波形;( 4)頻率;( 5)暴露時(shí)間等五個(gè)因素分類研究。按人的姿勢(shì)分為立式、坐式、臥式、傾斜式等;方向性分上下、前后以及左右方向的振動(dòng)(回轉(zhuǎn)振動(dòng)評(píng)價(jià)資料仍很缺乏);波形可分為簡(jiǎn)單正弦振動(dòng)、復(fù)合正弦振動(dòng)、沖擊振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng);就頻率而言,1Hz 以下會(huì)

29、引起運(yùn)動(dòng)?。〞炣嚒灤?, 1 100Hz 為煩躁、不舒適, 5 1000 Hz 的局部振動(dòng)會(huì)引起損傷病狀, 循環(huán)器官障礙、 關(guān)節(jié)和骨骼的變形等; 暴露時(shí)間分為連續(xù)和間歇暴露, 其振動(dòng)級(jí)分為一定的和變化的、 變?yōu)榱愕牡鹊日駝?dòng)。 振動(dòng)對(duì)人體的影響生物學(xué)方法的研究尚有較多的分歧,未能科學(xué)定量分析并提供規(guī)范化的數(shù)據(jù),對(duì)此文獻(xiàn) 中有詳細(xì)的討論。下面論述心理學(xué)影響,通過振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)人體的影響。二、 ISO2631 方法自 1975 年以來到 1985 年修訂的版本為 ISO2631/1-1985(E) 。 用加速度的均方根值(rms)給出了在180Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)人體對(duì)振動(dòng)反應(yīng)的三個(gè)不同的感覺界

30、限,它們分別是:1 、暴露極限:當(dāng)人體承受的振動(dòng)強(qiáng)度在這個(gè)極限在內(nèi),將保持健康或安全。通常 把此極限作為人體可以承受的振動(dòng)量的上限。2 、疲勞工效降低界限 TFD :此界限與保持工作效能有關(guān)。當(dāng)駕駛員(乘務(wù)員) 承受的振動(dòng)強(qiáng)度在此界限在內(nèi)時(shí),有準(zhǔn)確靈敏的反應(yīng),能正常地進(jìn)行駕駛。3 、舒適度降低界限 TCD :此界限與保持舒適性有關(guān)。在這個(gè)界限之內(nèi),人體所暴露的振動(dòng)環(huán)境主觀感覺良好,能順利完成吃、讀、寫等動(dòng)作。圖7-11 a)和b)分別為垂直和水平方向、在不同暴露時(shí)間(承受振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間)下的疲勞一工效降低界限的圖和值(表1)。另外兩個(gè)不同的感覺界限,其加速度均方根值的允許值隨頻率變化的趨勢(shì)與圖7-11所示曲線完全相同(形狀相同),只是加速度均方根允許值不同。暴露極限的值為疲勞-工效降低界限值的兩倍(提高6dB);舒適度降低界限的值為疲勞工效降低界限值的1/3.15 (降低10dB)。圖7-11的疲勞一工效降低界限是用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪出的,即縱。橫兩個(gè)坐標(biāo)軸都是按照以10為底的對(duì)數(shù)間距刻度的。 圖上縱坐標(biāo)允許加速度均方根值 0.1 -1 m /S2的間 距與1 10m/s2的間距相等,因?yàn)閷?duì)數(shù)差值 lg10 lg1 = lg1lg0.1 =1;圖上橫坐標(biāo) 1-10 Hz與10100 Hz的間距也相等,變化范圍都是 10倍。采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能把很大的數(shù)值范圍壓

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