振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

来源:电驱视界

作者:世界探客


在日常分析中,我们经常将固有频率和共振频率混淆在一起,认为它们是一回事,其实这是不严谨的,固有频率是结构固有特性的表现,而共振频率是结构在受外力时响应的表现。

单自由度弹簧系统自由振动

单自由度系统指在任意时刻只要一个广义坐标即可完全确定其位置的系统。话句话说,物体受的合力只沿一个方向。下图玩偶的运动可以由弹簧-质量系统组成。

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

该弹簧-质量系统的简化模型可如下图所示。

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

取物块的静平衡位置为坐标原点,沿弹簧变形方向铅直向下为正。当物块距离平衡位置为x 距离时,物块的运动微分方程可表示为:

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

其中,m 为物块质量,k 为弹簧刚度,c 为粘阻系数,2n=c/m 表示阻尼衰减系数,阻尼系数为零时对应无阻尼振动系统。

固有频率pn

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

固有频率只与质量和刚度两个因素有关,与阻尼等其它因素无关。结构边界连接方式、材料特性、形状等因素会影响固有频率,但最终也是体现到刚度和质量两个因素上,这些不是最终影响因素。

弹簧系统简谐激励作用下的受迫振动

自由振动是系统不受外界激励下的振动,运动轨迹与初始状态和固有特性有关。而受迫振动是指系统在外界激励下产生的振动。

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

外界激励一般为时间的周期函数或者非周期函数,其中,简谐激励是最简单的激励。设简谐激振力

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

其中,H 为激振力的幅值,ω 为激振力的角频率。

当物块偏离平衡位置为x 距离时,物块的运动微分方程为

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

其中,h=H/m,上式为具有粘性阻尼的单自由度受迫振动微分方程,是二阶常系数线性非齐次常微分方程。

上式和我们在电路理论中学习到的容感负载电压响应表达式完全一致,都是二阶常系数线性非齐次常微分方程,电路中的阻尼靠的是电阻,因为电阻只消耗不储存能量。由此感慨下,不同学科间的知识是何其相似!!!

有阻尼系统在简谐激励下,运动微分方程的全解设为:

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

其中,x1(t ) 为齐次解,做自由衰减振动;由于阻尼的存在,衰减振动部分经过一定的时间之后就会消失,其解与自由振动时的一样,此处不再赘述。我们这里关心因为受迫振动产生的特解x2(t ),其可以表示为:

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

其中,

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

稳态受迫振动的振幅大小和相位滞后差与初始条件无关,仅仅取决于系统和激励的特性。设频率比、阻尼比和振幅放大系数分别为:

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

上式可改写为:

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

据此,我们就知道受迫振动下系统的响应,为更清晰明了,可以画出不同的阻尼比、频率比和振幅放大系数之间的关系。

振动基础:固有频率VS共振频率,分不清楚?(固有频率和共振频率有什么不同)

频率划分为低频区、中频区和高频区三部分,由上图可看出,在低频区和高频区,当阻尼对振幅放大系数的影响不大,为简化计算可将有阻尼系统简化为无阻尼系统。

固有频率 & 共振频率

上文说过,固有频率是系统结构特性的表现,只与质量和刚度两个因素有关,与阻尼等其它因素无关,n 自由度系统存在n 个固有频率,连续系统存在无数多个固有频率。

结构的共振会导致不可预料的行为,共振出现在结构或材料在外界特定激励频率下发生大幅度自然振动时的频率,是按外界的激励频率来讲的,是激励响应的表现。

上图中蓝色圈表示的即为该系统下的共振频率,当结构的阻尼非常小时,共振频率近似等于结构的固有频率;但是当结构的阻尼较大时,共振频率要小于结构的固有频率,两者并不一致。

在进行系统设计时不仅仅需要考虑躲避共振峰单一频率,还要避开共振峰附近共振带,对应上图中的中频区,因为共振带范围内的响应都很大;既要保证不受自身设备正常工作的影响,也要考虑不受其他设备结构和激励的影响。

共振会引起吊梁倒塌、地面共振、机器损坏和次声波危害等,但是振动并不一定是有害的,比如乐器可以利用共振发声的,有利有弊。

本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至89291810@qq.com举报,一经查实,本站将立刻删除。

(0)
上一篇 2024-04-18 下午12:55
下一篇 2024-04-18 下午1:01

相关推荐

  • isp是什么意思(IS是什么意思)

    IS是一个英文缩写,通常指的是“社会安全号码”或“社会安全号码”,也 sometimes 简称为“安全号码”。 社会安全号码是用于身份验证的一种数字证书,通常由政府部门或组织颁发,…

    教育百科 2024-09-10
  • 休学手续办了又不想休学

    休学手续办了,但又又不想休学,这是一个很常见的矛盾。当我们面临一些挑战和困难时,有时候我们需要做出一些艰难的决定。尤其是在我们的兴趣和事业之间存在分歧时,休学可能是一个必要的选择。…

    教育百科 2025-02-23
  • 重医休学

    重医休学 我是一个重医的学生,曾经热爱医学,并且为了成为一名优秀的医生而努力学习。但是,我最近决定休学,因为我需要治疗自己的身体。 我曾经患有严重的心脏病,并且需要长期接受治疗。在…

    教育百科 2025-05-02
  • 休学有休学证吗(休学证有什么用)

    休学证有什么用 休学证是指学生因某些原因无法继续在学校学习,而申请暂停学习,并到其他地方进行学习的证书。休学证在很多方面都有用处,下面我们将详细介绍一下。 休学证可以帮助那些无法继…

    教育百科 2024-06-13
  • 助学贷款与休学

    助学贷款与休学 近年来,随着经济的发展和教育水平的提高,许多学生都面临着经济上的压力。为了缓解经济压力,许多学生选择申请助学贷款,但助学贷款也存在一些风险和问题。本文将探讨助学贷款…

    教育百科 2025-02-24
  • 休学的话学费怎么办(开学后想休学学费怎么办)

    开学后想休学学费怎么办 随着新学期的开学,许多人会面临是否继续留在学校的问题。对于一些人来说,这可能意味着他们需要休学一段时间。如果你正在考虑休学,你可能会想知道如何处理休学期间的…

    教育百科 2024-05-13
  • 孩子沉迷手机怎么办,只需轻松4招就可搞定(孩子沉迷手机怎么办,用什么方法)

    孩子沉迷手机怎么办,只需轻松4招就可搞定(孩子沉迷手机怎么办,用什么方法) 伴随着智能手机的普及 现在的孩子对手机也是越来越沉迷其中 春眠不觉晓,醒来玩手机 举头望明月,低头玩手机…

    教育百科 2024-03-26
  • 患了肺结核的学生休学证明应该由谁来开(患肺结核休学证明谁开)

    患肺结核休学证明谁开 近年来,肺结核已成为全球范围内的流行病之一。由于肺结核的传染性非常强,许多学生因此不得不休学进行治疗。对于学生来说,休学期间如何获取休学证明是一个非常重要的问…

    教育百科 2024-06-19
  • 休学一年后重读

    休学一年后重读,我意识到我做出的决定是正确的。 当我决定休学一年时,我知道我将面临许多挑战和困难。我需要面对学业、社交生活和个人生活上的问题。然而,我也知道这是一个重要的机会,让我…

    教育百科 2024-07-18
  • 泰安孩子厌学学校地址

    泰安孩子厌学问题 泰安是一所位于中国山东省的城市,拥有悠久的历史和丰富的文化底蕴。然而,随着城市的发展,泰安的孩子面临着越来越多的问题。其中,泰安孩子厌学问题是一个重要的问题。 泰…

    教育百科 2025-03-19

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注