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1 第九章 机械振动 麻省理工学院公开课 : 振动与波

2 9.1 简谐振动 振动 : 任何一个物理量在某一数值附近的反复变化 振动具有重复性和周期性 振动是普遍存在的一种运动形式 1 物体的来回往复运动 ( 弹簧振子 单摆等 ) 电流 电压的周期性变化 L C A B + K 机械振动 : 物体在一定位置附近作周期性往复运动

3 1. 简谐振动的特征及其表达式 弹簧振子 轻弹簧与物体 m 组成的系统 m 物体只受弹力作用 F k 弹力的两个特点 : 其中 k 弹性系数 1 弹力的指向总是与位移 的方向反向, 总是指向平衡位置 弹力的大小正比于位移 的大小 µ v -A O F A F 在弹性力作用下的质点, 其基本的运动形式是在平衡点附近来回振荡, 它是一种被 束缚 在平衡点附近的运动 F, v

4 物体只受弹力作用 F k k 劲度系数 由牛顿第二定律有 令 m d dt ω k m k, 则有 或 d k + dt m d + ω dt ω 由振动系统本身的性质决定. 简谐振动的动力学定义 : 若物体运动的动力方程可表示为 d + ω dt 其中 ω 是由系统本身的性质所决定的, 则此物体做简谐振动

5 方程的解为 : Acos( ω t+ ϕ ) A 与 ϕ 由初始条件确定 简谐振动的运动方程速度表达式 : 加速度表达式 : d v ωasin( ωt+ ϕ) dt π ωacos( ωt+ ϕ + ) d ω cos( ω ϕ) a A t+ dt ω Acos( ω t+ ϕ + π)

6 . 描述简谐振动的特征参量 1 周期 频率和角频率 周期 (T) 系统作一次完整振动所需时间 t () t ( + T), vt () vt ( + T) Acos( ωt+ ϕ) Acos[ ω( t+ T) + ϕ] Aωsin( ωt + ϕ) Aωsin [ ω( t + T) + ϕ] ωt nπ, n 1,,3,... T 的最小值 : T π ω T ν 和 ω 由振动系统本身的性质决定, 振幅 A 无关, 这是简谐振动的重要特征 频率 (ν) 单位时间内物体所做完全振动的次数 角频率 (ω ) π 秒内完成振动的次数, 也称固有频率 1 ω π ν ω T πν π T

7 相位和初相位 相位 : 决定简谐运动状态的物理量 ω t + ϕ 初相 : 决定初始时刻物体运动状态的物理量 相位比时间更直接更清晰地反映振子运动的状态 3 振幅 振幅 A 物体离开平衡位置最大位移的绝对值 初始条件决定振幅和初相位 Acos( ωt+ ϕ) v Aω ωt+ ϕ dt 设 t,,v v v Aω sinϕ d 则 Acos ϕ, v A +, tanϕ ω v ω ϕ sin( ) 对给定振动系统, 周期由系统本身性质决定, 振幅和初相由初始条件 ( 两个 ) 决定

8 例题 1: 一放置在水平桌面上的弹簧振子, 周期为.5 s 1 当 t 时,, 1. 1 mv, 4 3π 1 m s 求它的运动方程? 解 : ω tgϕ π v 4 ( s ), A. 1 ( m) 1 π + T ω v ω 注意 : 由初始位置可知 cosϕ < 代入简谐振动表达式, 则有. 1 cos(4 πt+ π)( m) ϕ 4 π 3

9 回顾 : 刚体平衡的充分必要条件 : 不平动 : F M i 不转动 : i 自由陀螺 : 其角动量守恒, 陀螺将保持其自转轴的方位和自转角速度不变 z Ω 进动 : 刚体绕自身对称轴高速旋转时, L 其自转轴绕另一竖直轴的缓慢转动称为总进动 ( 又称旋进 ) M Ω L mgr c Iω 旋进 O θ r c mg ω

10 简谐振动 : d + ω dt 描述简谐振动的特征参量 相位 Acos( ω t+ ϕ ) 初相 振幅 A E 或 π Acos t+ T ϕ 圆频率 ( 角频率 ) 周期 Acos( πν t+ ϕ ) v A +, tanϕ ω ω v 频率

11 3. 常见的简谐振动 1 竖直悬挂的弹簧振子选平衡位置为坐标原点, 平衡时, 弹簧伸长量为 : mg kl 物体位移为 时, 物体所受合力 F mg k( l + ) k 由牛顿第二定律有 m d dt k d k + dt m 故物体仍做简谐振动, l ω k m O

12 单摆 单摆在拉力和重力作用下做圆周运动, 利用切向的牛顿方程可得 ml θ mgsinθ 在角度很小时有 sin θ θ 于是单摆的运动方程为 g θ + θ l 表明 : 单摆的运动也是简谐振动, 故 g ω, T π l l g 思考题 试求任意摆角下的单摆周期

13 3 复摆 : 一可绕水平固定轴摆动的刚体 类似单摆写出方程为 : d θ I mghsinθ mghθ dt d θ mgh + θ dt I O θ h C mg mgh ω, T π I I mgh

14 4 实际振动系统 : 质点在稳定平衡位置附近的微小运动 系统沿 轴运动, 势能函数为 E p (), 势能曲线存在极小值, 该位置就是系统的稳定平衡位置 在该位置 ( 取 ) 附近将势能函数作级数展开 Ep( ) E () d d de p 1 d E p p de p, 有 d 1 d E p Ep( ) Ep() + d F de p( ) d E p d d 线性恢复力 所以微振动系统一般可以当作简谐振动处理

15 例题 : 半径为 r 的小球在半径为 R 的半球形大碗内作纯滚动, 这种运动是简谐振动吗? 如果是, 求出它的周期 θ 解 : 设小球的质心速度 v C, 绕质心转动的角速度为 ω 小球在滚动过程中系统的机械能守恒 : mg 1 ( R r)(1 cosθ ) + mvc + ICω E 1 其中 IC mr 5 ω r v C v C ( R r) θ

16 所以可得 mg( R r)(1 cos θ) + m( R r) θ E 两边对 t 求导 7 1 5g θ + sinθ 7( R r) 小角度滚动时 θ 1, sin θ θ, 运动方程化简为 5g θ + θ 7( R r) ω 5g 7( R r) 因此小球在碗底部的小角度滚动是简谐振动, 其周期为 T π 7( R r) π ω 5g

17 4. 简谐振动的能量转换 以水平的弹簧振子为例 t ( ) Acos( ω t+ ϕ ) v Aω sin( ω t+ ϕ ) 1 1 动能 : Ek mv ma ω sin ( ωt + ϕ) 1 sin ( ) ka ω t + ϕ ω k / m 势能 : 1 1 cos ( ϕ ) Ep k ka ωt + O m 总能 : 1 E Ek + Ep ka 总机械能守恒, 即总能量不随时间变化 简谐振动的总能量与振幅的平方成正比

18 能量平均值 : 1 T 1 T Ek E ( ) sin ( ) k t dt ka t dt ka E T T ω + ϕ 4 1 T 1 T Ep E ( ) cos ( ) p t dt ka t dt ka E T T ω + ϕ 4 O Acosω t t E E k E p O t 总机械能守恒, 即总能量不随时间变化. E 1 ka

19 结论 : (1) 任一简谐振动总能量与振幅的平方成正比 ; () 总能量不变, 弹簧振子的动能和势能的平均值相等, 且等于总机械能的一半 ; (3) 振幅不仅给出简谐振动运动的范围, 而且还反映了振动系统总能量的大小及振动的强度 ; (4) E k 与 E p 的变化频率都是原频率的两倍 这些结论同样适用于任何简谐振动

20 5. 简谐振动的表示法 1 旋转矢量图示法 作坐标轴 O, 自原点作一矢量 A( OM ) 旋转矢量 模 简谐振动 振幅 A ϕ 初始与 轴的夹角初相 角速度角频率 ω ω t + ϕ 与 轴的夹角相位 ω t+ϕ O ω A ϕ p M A t 矢端 M 在 轴上的投影 P 点的运动规律 : Acos( ω t+ ϕ ) v ω Asin( ω t+ ϕ ) a ω Acos( ω t+ ϕ ) 做圆周运动的质点的位矢在 轴或 y 轴上的投影作简谐运动, 不能把 M 的运动误认为简谐振动

21 -t 曲线图示法 简谐振动也可用 -t 的振动曲线表示, 如下图所示, 图上已将振幅 周期和初相标出 ω Acos( ω t+ ϕ ) P ϕ O P' ϕ ωt + ϕ ϕ T π P 1 P P1 P P O A T t 振幅大小决定曲线的 高低, 频率影响曲线的 密集和疏散.

22 3 复数表示利用三角函数与复数的关系, 简谐振动也可用复数描述 : i( ωt+ ϕ) Ae A t ia t cos( ω + ϕ ) + sin( ω + ϕ ) 复数的实部对应真实的振动量复数表示的优越之处 : 求导 积分很方便 d i( ωt+ ϕ) v iωae iω dt d dv a iω v ( iω) ω dt dt

23 例题 3: 已知某质点作简谐运动, 振动曲线如图, 试根据图中数据写出振动表达式 解 : 设运动表达式 (m) Acos( ω t+ ϕ ) 由图可见,Am, 当 t 时有 : cosϕ O - 1 t(s) v ω sinϕ > 由此得 π ϕ 4

24 当 t 1 时有 v 解得 : 1 ω π cos( ω ) 4 π ω sin( ω ) < 4 1 3π + nπ ( n,1,...) 4 因为周期 T >1 秒, 所以取 n, 即 3π π cos( t ) 4 4 ω 3π 4

25 9. 简谐振动的合成任何一个复杂的振动都可看成若干个简谐振动的合成 1. 同方向同频率简谐振动的合成 两简谐振动 : 合振动的运动方程 : 1+ 1 A1cos( ωt+ ϕ1) Acos( ωt+ ϕ) ( ) A A + A + AA cos ϕ ϕ ϕ arctan A sinϕ + A A cosϕ + A ( ω t ϕ) Acos + sinϕ cosϕ A 合成结果仍为简谐运动 ; 合振动与分振动在同一方向, 且有相同频率 A ω ω t +ϕ ω t +ϕ ω t+ϕ 1 cos( ω t+ ϕ ) 1 1 Acos( ω t+ ϕ) ω A A ωt+ ϕ A 1 A ω A sin( ) sin( ω t+ ϕ ) 1 1 cos( ω t+ ϕ )

26

27 讨论 : 相位差 Δϕ ϕ ϕ1 1 反映了两谐振的步调关系 (1)Δϕ ϕ ϕ nπ n, ± 1, ±,... A A + ma 1 A 两振动步调一致, 同达最大, 同达平衡 t

28 ()Δϕ ϕ ϕ ( n+ 1) π n, ± 1, ±,... 1 A min A A 两振动步调反向, 若 A A, A t (3) 一般情况下 ( 相位差任意 ) A A1 + A + A1 A cos( ϕ ϕ1) A + A1 < A < A1 A t 两个振动相位差在同方向同频率简谐振动合成中起决定性作用

29 多个同方向同频率简谐振动的合成 n 个简谐振动 : 1 A1cos( ωt+ ϕ1) A cos( ω t+ ϕ ) A cos( ω t+ ϕ ) n n n 合振动为 令 n Acos( ω t+ ϕ) H A1sinϕ1+ Asinϕ + + A n sinϕ n L A1cos 1+ Acos + + A n cos n A ϕ ϕ ϕ A n A O A 1 则有 A H + L, tanϕ H L

30 . 同方向不同频率简谐振动的合成 设一质点同时参与了角频率分别为 ω 1,ω 的两个同方向的简谐振动 A cos( ωt+ ϕ ), A cos( ω t+ ϕ ) O T 1 s O T 6s O T 6s t t t O T 1 s O T 3s O T 6s t t t 两个同方向不同频率的简谐振动, 合成后仍然是周期运动, 但不再是简谐振动 合振动周期是分振动周期的最小公倍数

31 回顾 : 简谐振动的表示法 -t 图表示法 旋转矢量法 Acos( ω t+ ϕ ) i( ω t ϕ Ae + ), Re( ) 复数法 简谐振动的能量转换 1 E Ek + Ep ka 1 Ek Ep E

32 同方向 同频率的两个简谐振动的合成 1 A1cos( ωt+ ϕ1) Acos( ωt+ ϕ) + Acos( ω t+ ϕ) 1 A A + A + AA cos( ϕ ϕ ) tanϕ A sinϕ + A A cosϕ + A sinϕ cosϕ 同方向 不同频率的两个简谐振动的合成合振动不再是简谐振动, 但却有周期性

33 特例 : 两同方向, 振动振幅相等, 且两频率之差远小于这两振动各自的频率 其中 Acos( ωt+ ϕ ), Acos( ω t+ ϕ ) ω ω << ω ω 1 1, 合振动的位移为 : 1+ Acos( ωt+ ϕ ) + Acos( ω t+ ϕ ) ω ω1 ϕ ϕ1 A调 ( t) Acos t+ 1 1 ω ω1 ϕ ϕ1 ω + ω1 ϕ + ϕ1 Acos t+ cos t+ ω + ω ϕ + ϕ A调 ( t) cos t+ 1 1 振幅随时间缓慢变化的简谐振动 合振动的角频率 : ω + ω 1

34 调制振幅 : ω ω1 ϕ ϕ1 Acos t+ 振动的强弱与振幅的平方相关 振幅调制周期 : 1 π ω ω π ω 1 1 ω ω ω 振幅调制频率 : 1 v1 v π 1 ν 1 16 t.5s.5s.75s t t ν 18 Δν

35 两个同方向不同频率简谐振动的合成 ( 动画演示 )

36 拍 频率较大但相差不大的两个同方向简谐振动合成时产生合 振动振幅周期性变化的现象 拍频 单位时间内振动加强或减弱的次数 1 v 1 ν ν 振幅变化的周期为 : 拍频 : 1 拍现象的应用 : 用标准音叉振动校准乐器 测定超声波 测定无线电频率 调制高频振荡的振幅和频率等 1 v ν ν

37 3. 互相垂直相同频率简谐振动的合成 如果两个振动频率相同, 但一个沿 方向 一个沿 y 方向 y y y y y A A y cos( ω t cos( ω t + ϕ ) + ϕ ) 将两式联立, 消去参数 t, 可得 y cosϕy cosϕ sinωt sin( ϕy ϕ) A Ay y sinϕy sinϕ cosωt sin( ϕy ϕ) A Ay 再将上两式平方后相加即可得 cos( ϕy ϕ) sin ( ϕy ϕ) + A A AA y 合振动坐标的参量方程 合成的运动轨迹一般为一椭圆 ( 包括圆, 直线段 ), 形状决定于分振动的振幅和相位差, 两振幅相等时为圆

38 3. 互相垂直相同频率简谐振动的合成 如果两个振动频率相同, 但一个沿 方向 一个沿 y 方向 y y y y y A A y cos( ωt + ϕ ) cos( ωt + ϕ ) 将两式联立, 消去参数 t, 可得 y cosϕy cosϕ sinωt sin( ϕy ϕ) A Ay y sinϕy sinϕ cosωt sin( ϕy ϕ) A Ay 再将上两式平方后相加即可得 cos( ϕy ϕ) sin ( ϕy ϕ) + A A AA y 合振动坐标的参量方程 合成的运动轨迹一般为一椭圆 ( 包括圆, 直线段 ), 形状决定于分振动的振幅和相位差

39 讨论 : y y y + A Ay AA y A A y y y y y y 1 分振动相位相同 : A A y cos( ϕy ϕ) sin ( ϕy ϕ) + A A AA ϕy ϕ nπ n,1,,3,... 轨迹为过原点的直线 时刻 t 质点离开平衡位置的位移 ( 合振动 ) y A y A ϕ ϕ π y n r + y A + A cos( ωt+ ϕ ) y 所以合振动也是频率相同的简谐振动, 振幅为 A A + A y

40 分振动相位相反 : ϕy ϕ (n+ 1)π n,1,,3,... A cos( ωt+ ϕ ) y A cos( ωt+ ϕ ) A cos( ωt+ ϕ + nπ + π) A cos( ωt+ ϕ ) y y y y A y A y y A y A ϕ ϕ ( + 1) π y n 时刻 t 质点离开平衡位置的位移 ( 合振动 ) 也是频率相同的简谐振动 y 3 ϕy ϕ ( n+ 1/ ) π, n,1,,3... 轨迹方程 : A + y A y 1 A y 振动的空间轨迹一般为一正椭圆 当 A A y 时, 轨迹为一个圆 A

41 4 ϕϕ y -ϕ 为其它值 : 合振动的轨迹表现为方位与形状各不相同的椭圆, 质点运动方向亦各异 ϕ π 4 π 3π 4 π 5π 4 3π 7π 4 < ϕ ϕ < π 质点沿顺时针方向运动 π y < ϕ ϕ < π 质点沿逆时针方向运动 y

42 相互垂直的同频率的简谐振动的合成 :( 动画演示 )

43 4. 互相垂直不同频率简谐振动的合成以及李萨如图形 两互相垂直的简谐振动 当频率成整数比时 :, 合振动周期 : T nt nt y y y Acos( ωt+ ϕ) y Aycos( ωyt + ϕy) 当频率 ω / ωy 为无理数比时 : 其合成运动将永远不重复已走过的路径, 它的轨迹将逐渐密布在振幅所限定的整个矩形面内 这种非周期性运动称为准周期运动 ω n ω n n, n y 为不可约的正整数 y 合振动的轨迹可以是一些封闭曲线, 称为李萨如图形 曲线形状与频率比和初位相差相关 显然相互垂直方向上的振动频率满足 ν ν y ω ω y y 达到最大值的次数 达到最大值的次数 通过这一规律可以用已知的振动频率确定另一未知的振动频率

44 ω : ω y y : 1 O 3 : 1 3 : ϕ : ϕ y ϕ y π 8 ϕ y π 4 ϕ y 3π 8 ϕ y π

45 相互垂直不同频率的简谐振动的合成 : 李萨如图

46 例题 4: 已知两个振动方向相互垂直的简谐振动合成的李萨如图形如下图所示, 求 方向和 y 方向振动频率的比例 y A y -A o A 解 : ν ν y ω ω y y - A y 达到最大值的次数 达到最大值的次数 3

47 例题 7: 有两个振动方向相同的简谐振动, 其振动方程分别为 : 1 4cos(π t + π ) cm (1) 求它们的合振动方程 ; 3cos(π t + π / ) cos(π t + 3 ) 3 ϕ 问 : 当 ϕ 3 为何值时, 的振动为最大值? 当 ϕ 3 为何值时, 的振动为最小值? cm cm 解 :(1) 两个振动方向相同, 频率相同的简谐振动合成后还是简谐振动, 合振动方程为 和 () 另有一同方向的简谐振动 Acos( π t + ϕ ) A A1 + A + A1 A cos( ϕ ϕ1) tanϕ A sinϕ + A sinϕ 1 1 A1 cosϕ1 + A cosϕ 5(cm) 3 4

48 根据已知条件,t 时, 合矢量应在第二象限, 故 ϕ 所求的振动方程为 π 3 arctan 4 5cos( πt+ ϕ ( ) ) (cm) () 当 ϕ3 ϕ1 kπ k, ± 1, ± 时, 相位相同 当 ( k ) 即 ϕ3 (k+ 1) π, ± 1, ±, ( k ) ( k,, ) ϕ3 ϕ1 1 π ± 1 ± ( k ) 振幅最大 即 ϕ3 kπ, ± 1, ±, 振幅最小 时, 相位相反

49 9.3 阻尼振动阻尼振动 振幅 ( 或能量 ) 随时间不断减少的振动 1. 阻尼振动的运动微分方程 对水平弹簧振子 弹簧力 : F k d 阻尼力 : f γv γ dt γ 为阻尼系数, 与物体的形状以及周围性质有关 d d 由牛顿第二定律可得 : m k γ dt dt 令 固有角频率 ω km β γ 于是可得运动微分方程 阻尼因子 d d + β + ω dt m dt F f

50 将形如 e λt 其特征根是 的解代入微分方程, 得特征方程 λ + βλ + ω λ β ± β ω 1, 于是方程的解得一般形式为 () t Ae + Ae λ t 1 λ t 1 这里系数 A 1 和 A 由振动的初始条件确定 按阻尼度 β/ω 大小的不同, 微分方程有三种不同形式的解, 代表了振动物体的三种运动方式 1 过阻尼 : β > ω 特征方程有两个不同的实根, 这时方程的解为 ( ) ( ) β β ω t β β ω + () t Ae + Ae 1 这种过阻尼运动方式是非周期运动, 振动从开始最大位移缓慢回到平衡位置, 不再做往复运动 t

51 欠阻尼振动 : β < ω 特征方程有两个互为共轭的复根 λ β + iω, λ β iω, ω ω β 1 f f f 两个线性无关解 βt iωft βt iωft 1, e e e e 以上两个解的实部和虚部均是方程的解, 根据线性齐次微分方程解的线性叠加性质可知, 方程的解为 βt ( t) Ae cos( ω t) + Ae sin( ω t) βt 1 f e βt cos( ) ωft ϕf A + A 和 ϕ f 决定于初始条件的积分常数 质点的运动速度为 : d βt v Ae [ βcos( ωft+ ϕf ) + ωf sin( ωft+ ϕf )] dt f

52 由初始条件 () Acosϕ f v () A βcosϕf + ωf sinϕ f β Aωf sinϕf 可解得 v + β A + ω f v + β tanϕ f ω f e β t A cos( ) ω t+ ϕ f f 严格讲振子的运动不是周期运动, 但仍然可看做振幅衰减的周期运动 振幅随时间衰减 周期振动

53 阻尼振动曲线 : β t Ae cos( ω t+ ϕ ) f Ae βt f O t 准周期为 : T π π ω f ω β 阻尼振动周期比系统的固有周期长, 阻尼越大, 周期 越长 振子机械能的耗散 体系机械能 : de dt d 1 1 mv + k dt 1 1 E E + E mv + k k p m + k ( m + k) 机械能的减少是由于阻尼力提供了负的功率 fv γ v <

54 品质因数 : 用来描述阻尼的大小 在低阻尼情况下 β << ω d βt v Ae [ βcos( ωft+ ϕf ) + ωf sin( ωft+ ϕf )] dt t Ae β ω sin( ω t+ ϕ ) f f f 1 1 E E + E mv + k k p 1 ka e βt 品质因数定义为 :t 时刻阻尼振子的能量 (E) 与经一个准周期后损失的能量 ( E) 之比的 π 倍, 用 Q 表示, Q E π E 1 ka e π 1 ka e 1 β t ( βt e ) βt π ω f ω 1 β β e βt 在阻尼很小的情况下描述阻尼能耗的品质因数与固有频率成正比, 与阻尼系数成反比

55 3 临界阻尼状态 : β ω 特征方程只有一个重根, 微分方程的解为 : β t ( ) ( A + At)e t 1 A 1 A 亦由初始条件定 可解得 [ β ] β t () + ( v + ) t e t 临界阻尼 过阻尼 问题 : 怎样使灵敏电流计的指针尽快稳定以得到读数? O 欠阻尼 t 一般情况下, 从偏离平衡位置开始回复到平衡位置所需的时间, 临界阻尼将比过阻尼快

56 回顾 : 同方向 相近频率的两个简谐振动的合成 同方向 相近频率的两个简谐振动的合振动振幅周期性地变化, 单位时间内振动加强或减弱的次数 ( 拍频 )ν 拍 ν ν ν 拍 1 同频率 互相垂直的两个简谐振动的合成 A + y A y y A A y cos( ϕ ) sin ϕ y A A y cos( ωt + ϕ ) cos( ωt + ϕ ) y ( ϕ ϕ ) y 合成轨迹一般为一椭圆 ( 包括圆, 直线段 ), 形状决定于分振动的振幅和相位差

57 互相垂直 不同频率的两个简谐振动的合成 当两频率比为有理数时 :, 合振动周期 : T nt nt y y ω n ω n n, n y 为不可约的正整数 y y 合振动的轨迹可以是一些封闭曲线, 称为李萨如图形 曲线形状与频率比和初位相差相关 阻尼振动运动方程 : 欠阻尼振动 运动解 : β < ω + β + ω β t Ae cos( ωf t+ ϕf ), ω ω β f A 和 φ f 由初始条件决定 : 运动具有周期性 : T f ( v + β ) A + ω f v + β tanϕ f ω f π 品质因数 : ω E Q π E ω β

58 过阻尼振动 : 运动解 : β > ω ( ) ( ) β β ω t β β ω + () t Ae + Ae β ω 临界阻尼振动 : 1 运动解 : [ + v + β t] β ( ) e t t 临界阻尼 过阻尼 O 欠阻尼 t 一般来说, 临界阻尼趋于平衡位置的速度最快

59 9.4 受迫振动和共振 没有外部不断供给能量, 耗散系统的振动是不能持久的, 激励振动的方式主要有两种 : 周期力和单向力 受迫振动 振动系统在周期性外界强迫力作用下的振动 周期力中简谐策动力最重要 : 1 简谐策动力最简单, 也很常见 ; 非简谐策动力都可以看作简谐策动力的线性叠加 1. 受迫振动的运动微分方程 恢复力 : 阻尼力 : k γv 强迫力 : F cosωt 根据牛顿第二定律 d γ + cos m k v F ωt dt -k m f -γv Ft ( ) Fcosω t

60 令 得 ω k γ F, β, f m m m + β + ω f cosωt 方程的通解 齐次方程的通解 + 方程的特解 β 1 β + ω + ω 1 f cos( ωt) 通解 特解 满足的是阻尼振动方程, 在前面已经求得了它的通解, 可分成过阻尼 欠阻尼和临界阻尼三种情况 下面我们将考虑欠阻尼情况, 则有 Ae cos( ω β t+ ϕ ) βt 1 受迫振动的微分方程的求解问题就转化为寻找方程的特解 f

61 试探解 : Bcos( ωt ϕ) π ωbsin( ωt ϕ) ωbcos( ωt ϕ+ ) ω Bcos( ωt ϕ) ω Bcos( ωt ϕ+ π) 把受迫振动的运动方程的各项用旋转矢量法表示 + β + ω f cosω t βωb

62 B + B f ( ω ω ) ( βω ), B f ( ) + 4 ω ω βω βω tan ϕ ω ω 所以在小阻尼情况, 受迫振动方程的解为 βt Ae cos( ω t+ ϕ ) + Bcos( ωt ϕ) 阻尼振动, 随时间消失, 暂态解 f f 简谐振动, 稳态解 经一段时间, 振子达到稳定振动状态, 受迫振动变为简谐振动 Bcos( ωt ϕ) 稳态解的特点 : 频率与强迫力频率相同, 振幅及初相位完全由强迫力和系统的固有参量决定, 与系统初始条件无关

63 Bcos( ωt ϕ). 共振 t B tan ϕ f ( ω ω) + 4βω βω ω ω, 共振 : 无论选 ω 或 ω 作变量, 位移和速度的振幅都有一个极大值 阻尼 β 越小峰值越尖锐 这种现象叫做共振 振幅共振 : 振动系统受迫振动时, 其振幅达极大值的现象 db 发生振幅共振时 : dω db d f dω dω ( ω ω) + 4βω 3/ f ( ω ω ) + 4β ω ω ω ω β

64 由此可得 共振频率 : ω ω β ω, for β << ω r B 共振振幅 : 共振位相 : ϕ B r r f β ω β arctan ω β β ω arctan β π O ω r ω ω π f Br ωt ωt βω cos( ) sin( ) 即位移落后于驱动力 π/ 相位, 而速度恰好与驱动力同相位 功率 Fv, 故此时外力永远做正功

65 频率响应曲线 : B-ω 图常称频率响应曲线或称共振曲线 当 Q > 1 时, 所有的曲线都有一个峰, 这就是共振峰 品质因素 Q 越大, 曲线的峰越明显 共振峰处 ω ω β < ω r B ω tan ϕ f ω 1 ω 1 + ω Q ω ω 1 ω Q ω 1 ω,

66 速度共振 : 振动系统受迫振动时, 其速度振幅达到极大值的现象叫做速度共振 Bcos( ωt ϕ) v Bωsin( ωt ϕ) 速度随时间做周期性变化, 其振幅为 Bω 发生速度共振时 : ( ) B dbω dω f, tan ϕ ( ω ω) + 4βω βω ω ω d( ωb) d fω dω dω ( ω ω ) + 4 β ω 由此可得 { } 3/ ( ) 4 ( ) 4 ( ) 4 f ω ω + β ω ω ω + β ω + ω ω ω β ω 3/ 4 4 ( ) f ( ω ω ) + 4 β ω ω ω

67 共振频率 : 共振振幅 : 共振速度 : vr 共振位相 : ϕ ω ω r r B f βω r ω B f β βω π arctan r ω > ω ω ω B tan ϕ f ( ω ω) + 4βω βω ω ω, B f B( ω ) 系统放大倍数 ω K B r f /βω ω B β f / ω Q 于是系统放大倍数恰等于品质因数 这是 Q 值的第二种意义

68 共振峰的锐度 (Q 值的第三种意义 ) 通常用锐度来描写共振曲线的尖锐程度, 当 ω ω ω β 共振时, 振幅 B B r / 所以有 f B Br β ω β, 即 ; 当 ω 偏离 ω r 时,B 值将迅速减少, 当 时, 对应的角频率分别为 ω 1 和 ω, 则共振峰锐度定义为 : S ωr ω ω 1 f 1 f ( ω ω) 4βω 4 β( ω β) + ( ω ω) + 4βω 8 β ( ω β ) r ω ω β ± β ω β ω ± βω β ω1 ω βω ω 1 ω β ω β ω ω + βω ω 1+ ω + β ω 1/ 1/ B S ω1 ω r ω f ( ω ω) + 4βω ω β ω Q β β

69 3. 共振的应用 我们周围的世界充满了各种振动 自然的和人为的 有益的和有害的 194 年 7 月 1 日, 桥龄仅 4 个月的美国 Tocama 大桥在一场不算太强的大风中坍塌 风产生的周期性效果导致大桥共振, 大桥在风中坚强的摇曳了近一天, 最终轰然坠下

70 电磁学中的共振 LC 振荡电路 由电阻 R, 电容 C 和电感 L 与交流电源串连而成的电路, 设电源电动势为 V(t) 有阻尼受迫振动 其中 ω 1 LC d q dq 1 L + R + q V dt dt C F dt dt m R γ L ( t) d d + γ + ω cos( ωt+ β) 形式类似

71 乐器中的共振 宋朝的沈括 (11 世纪 ) 在 梦溪笔谈 里说 : 予友人家有一琵琶, 置之虚室, 以管色奏双调, 琵琶弦辄有声应之 奏他调则不应, 宝之以为异物, 殊不知此乃常理 二十八调中但有声同者即应 研究避免共振的破坏的措施 破坏外力 ( 强迫力 ) 的周期性 ; 改变外力的频率 ; 改变系统固有频率 ; 增大系统阻尼力. 风洞试验 : 工程师确保飞机在整个飞行过程中所产生的力不能和其自然频率相同, 否则共振就会产生导致破坏 思考题 策动力换为迫振动方程的特解 F t a bt F t ( ) + 或 cos ω, 试求受

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<4D F736F F F696E74202D20B5DABEC5D5C2BBFAD0B5D5F1B6AF205BBCE6C8DDC4A3CABD5D> 第九章 机械振动 目 录 ( 一 ) 简谐振动 ( 二 ) 简谐振动的合成 ( 三 ) 阻尼振动 ( 四 ) 受迫振动与共振 ( 一 ) 简谐振动 振动 : 描述物体运动状态的物理量在某一数值附近往复变化. 特征 :() 重复性 周期性 ; () 对任意周期的运动, 可采用傅里叶展开分析 简谐振动 : 不能进一步分解, 是最基本的 成分单纯的振动 在数学上, 一个周期为 T 的函数可被展开为一系列不同频率的简谐函数的叠加

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