机械振动学课件ppt.ppt

为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 振动概念（vibration）物体经过它的静平衡位置所做的往复运动。或者说某一物理量在其平衡位置或平衡值附近来回的变动。振动首先是一种运动。比如：地壳的运动、交流电、电磁波、潮水的涨落等。2 机械振动的研究对象和分类机械振动的研究对象和分类2.1 2.1 研究对象研究对象“振动系统振动系统”第一章第一章 绪绪 论论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能系统的定义：系统的定义：由若干个元素构成的有机组合，个元素间存在着相互作用、互相影响的关系。机械系统的定义：机械系统的定义：由若干个机械元件组成的系统。具体的讲，是由运动副连接的一些构件所组成的能完成一定运动的机械装置。第一章第一章 绪绪 论论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2 2.2 机械系统研究内容机械系统研究内容 系统（系统（S）输入（X）输出（Y）激励响应响应第一章第一章 绪绪 论论系统的研究内容包括三个方面：系统的研究内容包括三个方面：1.已知系统的输入（X）和系统（S）,求输出(Y)系统的动力响应分析，或叫动态分析。2.已知系统的输入（X）和输出(Y)，求系统（S）系统设计；系统识别或系统辨识。3.已知系统的系统（S）和输出(Y)，求输入（X）环境预测。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能自由振动：给图中质量块一个激励，给一个初始位移后，质量块就开始振下去。强迫振动：用一个电机作元件，给系统一个持续激励，系统会在电机的强制激励下振动。自激振动：扬声器的鸣叫声。3 3 机械振动的分类机械振动的分类3.1 3.1 按输入分按输入分mk第一章第一章 绪绪 论论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能简谐振动：符合正弦（预选）规律的振动。周期振动：x（t）x（t+kT），瞬态振动：风铃随风而动；地震随机振动：不能用当前的现象预测未来，但是符合统计学规律，可以用统计的方法来研究。如，烟的运动；红旗的飘动。3.2 3.2 按输出分按输出分第一章第一章 绪绪 论论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能自由度：用来描述一个物体确定运动的独立坐标。单自由度系统：多自由度系统：可以是两个、三个甚至是n个自由度系统，n个独立坐标，n维空间。连续系统：用偏微分方程描述3.3 3.3 按自由度划分按自由度划分 可用微分方程描述第一章第一章 绪绪 论论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能线性振动 非线性振动:3.4 3.4 按微分方程分按微分方程分第一章第一章 绪绪 论论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4 4 主要参考文献主要参考文献书书+期刊期刊书：张策、张维平、邵韧平、闻邦春、书：张策、张维平、邵韧平、闻邦春、李有堂、张义民等李有堂、张义民等期刊：期刊：噪声与振动噪声与振动 （sound and vibration）第一章第一章 绪绪 论论为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第2章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.1 一些基本概念、无阻尼单自由度振动系统一些基本概念、无阻尼单自由度振动系统 2.3 有线性阻尼有线性阻尼自由振动自由振动2.4 简谐激励力作用下简谐激励力作用下的的强迫振动强迫振动 2.8 隔振原理隔振原理2.5 周期激励下的响应周期激励下的响应2.6 任意激励下的响应任意激励下的响应2.7 简谐力的功和等效阻尼简谐力的功和等效阻尼2.2 固有频率的计算固有频率的计算为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第2章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 当物体沿当物体沿x x轴作直线运动时，惯性的大小可用质量来表轴作直线运动时，惯性的大小可用质量来表示。根据牛顿第二定律，作用在物体上的外力示。根据牛顿第二定律，作用在物体上的外力F F，物体由此，物体由此产生的加速度和物体质量产生的加速度和物体质量m m之间有下述关系：之间有下述关系：构成机械振动系统的基本元素有惯性、恢复性和阻尼。构成机械振动系统的基本元素有惯性、恢复性和阻尼。惯性就是能使物体当前运动持续下去的性质。恢复性就是能惯性就是能使物体当前运动持续下去的性质。恢复性就是能使物体位置恢复到平衡状态的性质。阻尼就是阻碍物体运动使物体位置恢复到平衡状态的性质。阻尼就是阻碍物体运动的性质。从能量的角度看，惯性是保持动能的元素，恢复性的性质。从能量的角度看，惯性是保持动能的元素，恢复性是贮存势能的元素，阻尼是使能量散逸的元素。是贮存势能的元素，阻尼是使能量散逸的元素。构成机械振动系统的基本元素构成机械振动系统的基本元素质量的单位为质量的单位为kgkg。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第2章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动阻尼力阻尼力Fd反映阻尼的强弱，通常是速度反映阻尼的强弱，通常是速度x的函数，阻尼力的函数，阻尼力可表示为可表示为 这种阻尼称为粘性阻尼。比例常数这种阻尼称为粘性阻尼。比例常数c称为粘性阻尼系称为粘性阻尼系数，单位数，单位N.s/m。典型恢复性元件是弹簧，弹簧产生的恢复力是该元件位移典型恢复性元件是弹簧，弹簧产生的恢复力是该元件位移的函数，即的函数，即Fs=Fs（x）。当。当Fs（x）是线性函数时，有：是线性函数时，有：Fs=kx (1-2)k称为弹簧常数或弹簧的刚度系数。单位为称为弹簧常数或弹簧的刚度系数。单位为N/m。质量、弹簧和阻尼器质量、弹簧和阻尼器是构成机械振动系统是构成机械振动系统物理模型物理模型的的三个基本元件。三个基本元件。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 自由度与广义坐标自由度与广义坐标 自由度数自由度数:完全确定系统运动所需的独立坐标数目称为自由度数。完全确定系统运动所需的独立坐标数目称为自由度数。刚体在空间有刚体在空间有6个自由度：三个方向的移动和绕三个方向的转动，个自由度：三个方向的移动和绕三个方向的转动，如飞机、轮船；如飞机、轮船；质点在空间有质点在空间有3个自由度：三个方向的移动，如高尔夫球；个自由度：三个方向的移动，如高尔夫球；质点在平面有质点在平面有2个自由度：两个方向的移动，加上约束则成为单个自由度：两个方向的移动，加上约束则成为单自由度。自由度。第第2章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能质量元件质量元件 无弹性、不耗能的刚体，储存动能的元件无弹性、不耗能的刚体，储存动能的元件 平动：平动：力、质量和加速度的单位分别力、质量和加速度的单位分别为为N、kg和和m/s 2。转动：转动：力矩、转动惯量和角加速度的力矩、转动惯量和角加速度的单位分别为单位分别为Nm、kg m 2和和rad/s 2 2.1 离散系统的组成离散系统的组成第第2章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第第第2 2章单章单章单章单 自由度线性系统的振动自由度线性系统的振动自由度线性系统的振动自由度线性系统的振动 2.1 离散系统的组成离散系统的组成弹性元件弹性元件 无质量、不耗能，储存势能的元件无质量、不耗能，储存势能的元件 平动：平动：力、刚度和位移的单位分别为力、刚度和位移的单位分别为N、N/m和和m。转动：转动：力矩、扭转刚度和角位移的单力矩、扭转刚度和角位移的单位分别为位分别为Nm、Nm/rad和和rad 阻尼元件阻尼元件 无质量、无弹性、线性耗能元件无质量、无弹性、线性耗能元件 平动：平动：力、阻尼系数和速度的单位分力、阻尼系数和速度的单位分别为别为N、N s/m和和m/s。转动：转动：力矩、扭转阻尼系数和角速度力矩、扭转阻尼系数和角速度的单位分别为的单位分别为Nm、Nms/rad和和rad/s 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第第第2 2章单章单章单章单 自由度线性系统的振动自由度线性系统的振动自由度线性系统的振动自由度线性系统的振动 2.1 离散系统的组成离散系统的组成等效弹簧刚度等效弹簧刚度 斜向布置的弹簧斜向布置的弹簧 串联弹簧串联弹簧 并联弹簧并联弹簧 并联系统并联系统串联系统串联系统等效阻尼系数等效阻尼系数 传动系统的等效刚度传动系统的等效刚度 传动系统的等效阻尼传动系统的等效阻尼 ct1e=ct1/i 2等效质量等效质量 传动系统的等效惯量传动系统的等效惯量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能单自由度系统的类型单自由度无阻尼自由振动单自由度无阻尼自由振动单自由度有粘性阻尼的自由振动单自由度有粘性阻尼的自由振动单自由度无阻尼受迫振动单自由度无阻尼受迫振动单自由度有粘性阻尼的受迫振动单自由度有粘性阻尼的受迫振动机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能例：如右图，舍振动体的例：如右图，舍振动体的质量为质量为m m，它所受的重，它所受的重力为力为W W，弹簧刚度为，弹簧刚度为k,k,弹簧挂上质量块的静伸弹簧挂上质量块的静伸成量为成量为j j，此时系统，此时系统处于静平衡状态，平衡处于静平衡状态，平衡位置为位置为0-00-0，求给系统，求给系统一个初始扰动后系统的一个初始扰动后系统的振动方程。振动方程。模型的建立模型的建立机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统无阻尼自由振动：无阻尼自由振动：振动系统受到初始扰动后，不再受到外振动系统受到初始扰动后，不再受到外力作用，也不受阻尼的影响所作的振动。力作用，也不受阻尼的影响所作的振动。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能静平衡振动系统产生弹性恢复力弹力重力静平衡破坏初始扰动机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能解：解：取静平衡位置为坐取静平衡位置为坐标原点，以标原点，以X轴为系统轴为系统的坐标轴，向下为正的坐标轴，向下为正方向建立坐标系。方向建立坐标系。以以x x表示质量块的受扰表示质量块的受扰后的位移，当质量块后的位移，当质量块离开平衡位置时，在离开平衡位置时，在质量块上作用的力有：质量块上作用的力有：XTW由于受力不平衡，质量块产生加速度由于受力不平衡，质量块产生加速度机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能根据牛顿第二定律建立振动微分方程：二阶齐次常系数微分方程，机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能扭转振动问题扭转振动问题例1-2：右图所示，垂直轴的下端右图所示，垂直轴的下端固定一个水平圆盘。已知固定一个水平圆盘。已知轴长为轴长为l,l,直径为直径为d,d,剪切剪切弹性模量为弹性模量为G,G,圆盘的转动圆盘的转动惯量为惯量为I I，在盘上施加初，在盘上施加初始扰动后（如力偶），系始扰动后（如力偶），系统做自由扭转振动。若不统做自由扭转振动。若不计阻尼影响，振动将永远计阻尼影响，振动将永远持续下去。求系统的振动持续下去。求系统的振动方程。方程。机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能由材料力学知：扭转刚度为：机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能典型的单自由度自由振动单摆例1-3：如左图所示，求t时刻刚体的角度是多少？机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能解：以静平衡位置为原点，以以静平衡位置为原点，以角增角增加的方向为正方向建立坐标系。加的方向为正方向建立坐标系。隔离物体，进行受力分析。隔离物体，进行受力分析。使用牛顿定律建立振动模型：使用牛顿定律建立振动模型：a)力矩形式：力矩形式：b)力形式：力形式：？机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1-2 无阻尼单自由度系统的自由振动规律机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能结结 论论单自由度无阻尼自由振动系统的方程是一样的单自由度无阻尼自由振动系统的方程是一样的,规律是相同的，具有以下特点：规律是相同的，具有以下特点：1.1.单自由度无阻尼振动是简谐的。单自由度无阻尼振动是简谐的。2.2.振幅决定于初始条件：振幅决定于初始条件：图中系统，用手把图中系统，用手把m m移到移到X X0 0位置，初始位移的大小决位置，初始位移的大小决定于定于m m的振幅，如果放手的同时，给的振幅，如果放手的同时，给m m一个右向的初一个右向的初速度，可以通过上式计算出其最大振幅。速度，可以通过上式计算出其最大振幅。机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.固有频率与初始条件无关。系统一定，固有频固有频率与初始条件无关。系统一定，固有频率一定。率一定。思考：钟表的钟摆的摆角大是准确还是小准确？思考：钟表的钟摆的摆角大是准确还是小准确？结结 论论机机 械械 振振 动动 学学第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.12.1单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 在振动研究中，计算振动系统的固有频率有很重要的意义，除用定义法（牛顿法）外，通常还有以下几种常用的方法，即静变形法、能量法和瑞利法，现分别加以介绍。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法1、静变形法（、静变形法（Static Deformation Method）当单振子处于静平衡状态时，弹簧的弹性力与振动质量的重力互相平衡，即存在关系式：由上式可得：故系统的固有频率为：由此可见，只要知道质量块处的弹性静变形，就可以计算出系统的固有频率。在有些实际问题中，不能直接给出系统的弹簧刚度时，利用此法计算固有频率比较方便。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能例例1 1 设一悬臂梁长度为，抗弯刚度为，自由端有一集中质量。设一悬臂梁长度为，抗弯刚度为，自由端有一集中质量。梁本身重量忽略不计。试求这一系统的固有频率（见下图）。梁本身重量忽略不计。试求这一系统的固有频率（见下图）。自由端有集中质量的悬臂梁 解：悬臂梁在自由端由集中力mg所引起的静挠度为：当不易用计算方法求出静挠度时，也可用实测方法得到静挠度，然后按（1）式计算系统固有频率。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2、能量法（、能量法（Energy MethodEnergy Method）在无阻尼自由振动系统中，由于没有能量的损失，所以振幅在无阻尼自由振动系统中，由于没有能量的损失，所以振幅始终保持为一常数，即在振动过程中振幅始终不衰减。我们始终保持为一常数，即在振动过程中振幅始终不衰减。我们将这样的系统称为将这样的系统称为保守系统保守系统。在保守系统中，根据机械能守恒定律，在整个振动过程的在保守系统中，根据机械能守恒定律，在整个振动过程的任一瞬时机械能应保持不变。任一瞬时机械能应保持不变。式中：式中：T T系统中运动质量所具有的动能；系统中运动质量所具有的动能；U U系统由于弹性变形而储存的弹性势能，或由于重力作功系统由于弹性变形而储存的弹性势能，或由于重力作功 而产生的重力势能。而产生的重力势能。即：T+U=常数 或第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 对于单自由度无阻尼自由振动系统来说，系统的动能为：1.重力势能：当质量块m低于静平衡位置时，重力势能为-mgx。2.弹性势能：当质量块m运动至离静平衡位置距离+x时，弹簧的弹性力对质量块所作的功即为系统此时的弹性势能。如下图所示，系统的弹性势能为：故系统的势能为故系统的势能为：所以：所以：系统的势能则由以下两部分组成：单自由度振动系统的弹性势能这就是单自由度无阻尼自由振动系统的能量方程。这就是单自由度无阻尼自由振动系统的能量方程。这一方程说明，这一方程说明，无阻尼自由振动系统的能量关系是无阻尼自由振动系统的能量关系是振动质体的能量与弹性势能的相互转化过程振动质体的能量与弹性势能的相互转化过程，而无而无能量的消耗。能量的消耗。但在振动系统中存在阻尼时，则在振但在振动系统中存在阻尼时，则在振动质体的动能与弹性势能的互相转化过程中，有一动质体的动能与弹性势能的互相转化过程中，有一部分能量将为克服阻力而不断地转化为热能，故系部分能量将为克服阻力而不断地转化为热能，故系统的振幅将逐渐减小，直至完全消失。统的振幅将逐渐减小，直至完全消失。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能若将无阻尼自由振动的时间历程若将无阻尼自由振动的时间历程 代入系统的能量方程（代入系统的能量方程（2）式可得：）式可得：这说明系统的最大动能或最大势能均等于系统的总能量，且动能与势能的这说明系统的最大动能或最大势能均等于系统的总能量，且动能与势能的最大值相等，即：最大值相等，即：根据上式即可算出系统的固有频率：根据上式即可算出系统的固有频率：对弹簧质量系统（单振子）对弹簧质量系统（单振子）用上述能量法意义不大。但用上述能量法意义不大。但是复杂的单自由度系统用能是复杂的单自由度系统用能量法计算固有频率比较方便。量法计算固有频率比较方便。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能例1：一根矩形截面梁，上面承受质量为m的物体（如图所示）。若忽略梁的质量，试用能量法求该系统的固有频率。承受质量的矩形截面梁解：梁的刚度可用静变形法求出：解：梁的刚度可用静变形法求出：而梁的静扰度可根据材料力学公而梁的静扰度可根据材料力学公式计算：式计算：代入（代入（3 3）式即可求出该系统的固有圆频率：）式即可求出该系统的固有圆频率：第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能例例2:2:下图所示为测量低频振幅用的传感器的一个元件下图所示为测量低频振幅用的传感器的一个元件无定无定向摆。已知向摆。已知a=3.54cma=3.54cm，mg=0.856Nmg=0.856N，k=0.3N/cmk=0.3N/cm。且整个系统对。且整个系统对转动轴转动轴o o的转动惯量。试求系统的固有频率。的转动惯量。试求系统的固有频率。无定向摆 解：解：取摇杆偏离平衡位置的角位移取摇杆偏离平衡位置的角位移 为广为广义坐标，并设义坐标，并设则则 对简谐振动来说，摇杆正经过平衡位置时的速度对简谐振动来说，摇杆正经过平衡位置时的速度最大，故此时系统动能最大，而势能为零。即：最大，故此时系统动能最大，而势能为零。即：当摇杆摆到最大角位移处时，速度为零，故此时系当摇杆摆到最大角位移处时，速度为零，故此时系统动能为零，而势能最大，它包括以下两个部分：统动能为零，而势能最大，它包括以下两个部分：1 1）弹簧变形后储存的弹性势能：）弹簧变形后储存的弹性势能：2)2)质量块质量块m m的重心下降的重心下降 后的重力势能：后的重力势能：第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能解：取摇杆偏离平衡位置的角位移 为广义坐标，并设则 故 对简谐振动来说，摇杆正经过平衡位置时的速度最大，故此时系统动能最大，而势能为零。即：当摇杆摆到最大角位移处时，速度为零，故此时系统动能为零，而势能最大，它包括以下两个部分：1）弹簧变形后储存的弹性势能：2)质量块m的重心下降 后的重力势能：第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能因为 故得第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能前面介绍的几种计算系统固有频率的方法，都是将系统中弹簧的质量忽略不计。但是在有些系统中，弹簧本身的质量在系统总质量中占有一定的比例，此时若再忽略弹簧的质量，就将会使得计算出来的系统固有频率偏高。瑞利法则将弹簧质量对系统振动频率的影响考虑了进去，从而能得到相当准确的固有频率值。3.瑞利法（瑞利法（Rayleigh Method）应用瑞利法时，必须先假定一个系统的振动形式。而且所假定的振动形式越接近实际的振动形式，则计算出来的固有频率的近似值就越接近准确值。实践证明，以系统的静态变形曲线作为假定的振动形式，则所求得的固有频率的近似值与准确值相比较，一般来说误差是很小的。现以最简单的弹簧质量系统为例来说明瑞利法的应用。在下图的系统中，若弹簧的质量与质量块的质量相比是很小的，则系统的振动形式就不会显著地受到弹簧质量的影响。在这种情况下，假设弹簧在振动过程中的变形（各截面的瞬时位移）与弹簧在受轴向静载荷作用下的变形相同是足够精确的。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法 弹簧质量系统解:假设弹簧上距固定端距离为 处的位移为：式中：l处于平衡位置时弹簧的长度；x 弹簧在联结质量块一端的位移。令令表示弹簧单位长度的质量，则表示弹簧单位长度的质量，则弹簧微段弹簧微段dd的质量为的质量为d.d.其最其最大动能则为大动能则为:弹簧在弹簧在处的微段处的微段dd的速度应为的速度应为:当质量块在某一瞬时的速度为当质量块在某一瞬时的速度为 时，时，所以弹簧的全部动能为：所以弹簧的全部动能为：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法显然，系统的全部动能应该是质量块显然，系统的全部动能应该是质量块m m的最大动能与弹簧的最大的最大动能与弹簧的最大动能之和，即动能之和，即系统的最大势能仍与无质量弹簧的情况相同，即：系统的最大势能仍与无质量弹簧的情况相同，即：所以弹簧的全部动能为：所以弹簧的全部动能为：由动能和势能相等原理得：由动能和势能相等原理得：对简谐振动来说，上式即成为：对简谐振动来说，上式即成为：由此可以得出系统固有频率的计算公式为：由此可以得出系统固有频率的计算公式为：结论：结论：为了考虑弹簧质量对系统固有频率的影响，只需要将为了考虑弹簧质量对系统固有频率的影响，只需要将1/3的弹簧质量当作一个集中质量加到质量块上去即可。的弹簧质量当作一个集中质量加到质量块上去即可。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 一般将上式中的 称为“弹簧的等效质量”“effective mass of spring”,以ms表示。但是不同的振动系统，其弹簧的等效质量不同，需具体加以计算。因为 所以 因此只要先算出系统弹性元件的动能，即可根据上式计算出系统弹性元件的等效质量。根据系统中的弹簧质量与质量块质量相比很小，从而在振动过程中弹簧各截面的瞬时位移按线性变化这一假设而得出的。但是，即使弹簧的质量较大，用原式计算系统固有频率也具有足够的精确度。例如,当 时，固有频率的计算误差约为0.5；当 时，计算误差约为0.8；当 时，计算误差约为3。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能例如图所示的等截面简支梁上有一集中质量m，若将梁本身的重量W考虑在内，计算此系统的固有频率。图承受集中质量的等截面梁 第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能解：假设梁在振动时挠度曲线与梁在图示载荷作用下的静挠度曲线一致。梁上物体左侧距A点为处的静挠度为：梁上物体右侧距B点为处的静挠度为：在物体m处梁的静挠度为：设物体m在振动状态下的最大速度为 ，则在物体左右两侧梁的所有点的最大速度 、与振动位移y1、y2之间存在以下关系：计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能所以梁的左右两部分的最大速度为：因而梁的左右两部分的最大动能为：式中：w梁的单位长度的质量；第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能梁的全部动能为：根据上式可算出梁的等效质量为：所以系统的固有圆频率为：式中：，为梁的刚度。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.2 计算系统固有频率的其它方法计算系统固有频率的其它方法从上式可以看出当忽略梁的质量时所计算出的系统固有频率比从上式可以看出当忽略梁的质量时所计算出的系统固有频率比用瑞利法计算出的数值要小，因而误差较大。应用瑞利法也可用瑞利法计算出的数值要小，因而误差较大。应用瑞利法也可求得无载荷的固有频率的相当准确的数值。由于无载荷的变形求得无载荷的固有频率的相当准确的数值。由于无载荷的变形曲线是对称的，所以首先需将载荷移到梁的中间，然后再令载曲线是对称的，所以首先需将载荷移到梁的中间，然后再令载荷为零（荷为零（m m0 0），即可求出无载荷梁的固有圆频率为：），即可求出无载荷梁的固有圆频率为：而这一固有圆频率的精确值为：而这一固有圆频率的精确值为：可见，近似值与理论精确值之差小于可见，近似值与理论精确值之差小于1 1。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能内容参考2.3。第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.3 等效质量和等效刚度等效质量和等效刚度为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能振动微分方程振动微分方程 振动微分方程振动微分方程 方程的解方程的解 第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.42.4单自由度线性阻尼自由振动系统单自由度线性阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能自由振动自由振动 振动微分方程振动微分方程设设 特征方程特征方程 有有临界阻尼系数临界阻尼系数 阻尼比或阻尼因子阻尼比或阻尼因子 定义定义令阻尼比或阻尼因子令阻尼比或阻尼因子 第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.42.4单自由度线性阻尼自由振动系统单自由度线性阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能讨论讨论(1)方程的解方程的解 特征值特征值系统对初始扰动的响应系统对初始扰动的响应第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.42.4单自由度线性阻尼自由振动系统单自由度线性阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能讨论讨论(2)特征值特征值系统对初始扰动的响应系统对初始扰动的响应方程的解方程的解 第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.42.4单自由度线性阻尼自由振动系统单自由度线性阻尼自由振动系统为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能讨论讨论(3)方程的解方程的解 特征值特征值系统对初始扰动的响应系统对初始扰动的响应初始条件：初始条件：第第第第2 2章章章章 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动 2.42.4单自由度线性阻尼自由