振动与噪声实验技术.doc

东 北 大 学研 究 生 考 试 试 卷评分考试科目： 振动与噪声实验技术 课程编号： 阅 卷 人： 考试日期： 2012.11 姓 名： 吕 亮 学 号： 1200461 注 意 事 项1考 前 研 究 生 将 上 述 项 目 填 写 清 楚2字 迹 要 清 楚，保 持 卷 面 清 洁3交 卷 时 请 将 本 试 卷 和 题 签 一 起 上 交东北大学研究生院摘要工程振动与振动工程振动以前被看作是力学的一个分支，从某种意义上说，它曾经是一门基础科学，早期是物理学家尤其是声学家的研究对象，本世纪二、三十年代，随着生产的发展、机械的高速化和结构的轻型化，工程中的振动问题愈来愈多了，于是出现了面向工程问题的工程振动。这可以说是“振动”发展的第二阶段。当前工程振动的发展又到了一个新的转折点，量变引起了质变，因此提出一个新的学科名叫振动工程。工程振动的着眼点和落脚点是振动，它实质上仍是基础科学的一个分支，而振动工程的着眼点和落脚点是工程，是工程科学的一个分支。基础科学和工程科学有何区别呢？基础科学着重认识世界、说明世界、力求把纷纭繁杂的以及不被注意的现象说明得有条有理一清二楚，而工程科学应能直接指导人们有根据、有目的、有步骤地去改造世界。工程科学是指导实践去改造世界的学问。从工程振动到振动工程表明我们的重点已由认识世界、说明世界进展到改造世界，这是一个非常重要的一步，具有伟大的科学意义。本文主要简要介绍如下几个方面：（1） 机械振动的基本理论，振动的发展史及其分类；（2） 振动利用工程的提出，振动利用的新技术和新方法；（3） 对振动利用工程的发展进行展望；关键字：工程振动 振动工程 振动 机械振动、利用及其新技术一 . 绪论振动及其利用最近30多年来的发展举世瞩目。就拿振动机械来说，目前已成功应用于工矿企业中的该类机器已达到数百种之多，在许多部门，如采矿、冶金、煤炭、石油化工、机械、电力、水利、土木、建筑、建材、铁路、公路交通、轻工、食品和谷物加工、农田耕作、生物工程、信息技术等部门以及在人类日常生活过程中，数以万计的振动机器和振动仪器已成功用来完成许多不同的工艺过程。 在振动利用技术中，除利用线性振动原理和非线性振动原理外，波动与波能在许多部门也得到了广泛的应用。例如，在工程地质部门，利用振动所发生的应力波进行检测和地质勘探；在石油开采中，利用振动所引发的弹性波来提高原油产量；在海洋工程方面，海浪波动的能量可以用来发电；在医疗方面，利用超声波等诊断和治疗疾病，彩超、医用CT和核磁共振等，都是对振动与波动原理的实际应用；在电子和通信工程方面，电视机和收音机中的振荡电路、门铃、电话机、光导纤维通信技术、录音机、电视机、收音机、程控电话等诸多电子器件以及电子计时装置和通信系统使用的谐振器等都是通过振动才能有效地工作。 从广义的角度来看，在自然界及宇宙中到处存在着振动，月亮的圆缺、潮汐的涨落、树木的年轮等，对这些振动和波动现象进行研究，找出其内在规律，并进行有效的利用，无疑会产生重大的社会效益与经济效益，并造福于人类。 在社会与经济生活中，如人口的增长与衰减、农作物虫灾发生的周期性现象、股市的涨跌和振荡、社会经济发展过程中速度的增长与衰减等，都可以归纳为不同形式的振动。 振动按其类型大致可分为：线性振动与近似于线性的振动、非线性振动、波动(水波、应力波、声波、超声波、红外波、可见光波、紫外波、各种射线波等)及电磁振荡等。因此，可将振动及其利用技术分为线性与近似于线性的振动的利用、非线性振动的利用、波动和波能的利用、电磁振荡器在工程技术中的应用、自然界和人类社会中的振动现象与规律及其利用等。 随着我国经济建设和科学研究事业的进一步发展，新用途的振动利用技术将会不断出现，它们在各个部门中的使用也将日益增多，并将发挥越来越重要的作用。为了使这类技术获得更有效的使用并促进其进一步的发展，对它们的工作理论与设计计算方法进行较系统和详细的叙述无疑是十分必要的。特别是随着现代科学技术，诸如非线性动力学理论与方法、现代设计理论与方法和计算机技术的迅速发展，应用最新的科学技术，构建起“振动及其利用”新学科的理论框架，并对振动利用技术和设备进行全面、系统的阐述，为该种技术与设备提供研究、设计的理论与方法，将是研究与开发出新的技术与设备，以及保证该类机械可靠和有效运行的重要措施和必要手段。二.机械振动简介2.1 振动介绍振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零、部件的早期失效。例如，透平叶片因振动而产生的断裂，可以引起严重事故。由于现代机械结构日益复杂，运动速度日益提高，振动的危害更为突出。反之，利用振动原理工作的机械设备，则应能产生预期的振动。在机械工程领域中，除固体振动外还有流体振动，以及固体和流体耦合的振动。空气压缩机的喘振，就是一种流体振动。 2.2 研究简史20世纪初，人们关心的机械振动问题主要集中在避免共振上,因此,研究的重点是机械结构的固有频率和振型的确定。1921年，德国的H.霍尔泽提出解决轴系扭转振动的固有频率和振型的计算方法。30年代，机械振动的研究开始由线性振动发展到非线性振动。50年代以来，机械振动的研究从规则的振动发展到要用概率和统计的方法才能描述其规律的不规则振动随机振动。由于自动控制理论和电子计算机的发展，过去认为甚感困难的多自由度系统的计算，已成为容易解决的问题。振动理论和实验技术的发展，使振动分析成为机械设计中的一种重要工具。 2.3 分类机械振动有不同的分类方法。按产生振动的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按振动的规律可分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动;按振动系统结构参数的特性可分为线性振动和非线性振动；按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。 1）自由振动去掉激励或约束之后，机械系统所出现的振动。振动只靠其弹性恢复力来维持机械振动,当有阻尼时振动便逐渐衰减。自由振动的频率只决定于系统本身的物理性质，称为系统的固有频率。 2）受迫振动机械系统受外界持续激励所产生的振动。简谐激励是最简单的持续激励。受迫振动包含瞬态振动和稳态振动。在振动开始一段时间内所出现的随时间变化的振动，称为瞬态振动。经过短暂时间后，瞬态振动即消失。系统从外界不断地获得能量来补偿阻尼所耗散的能量，因而能够作持续的等幅振动，这种振动的频率与激励频率相同，称为稳态振动。例如，在两端固定的横梁的中部装一个激振器，激振器开动短暂时间后横梁所作的持续等幅振动就是稳态振动，振动的频率与激振器的频率相同。系统受外力或其他输入作用时，其相应的输出量称为响应。当外部激励的频率接近系统的固有频率时，系统的振幅将急剧增加。激励频率等于系统的共振频率时则产生共振。在设计和使用机械时必须防止共振。例如，为了确保旋转机械安全运转，轴的工作转速应处于其各阶临界转速的一定范围之外。 3）自激振动在非线性振动中，系统只受其本身产生的激励所维持的振动。自激振动系统本身除具有振动元件外,还具有非振荡性的能源、调节环节和反馈环节。因此，不存在外界激励时它也能产生一种稳定的周期振动，维持自激振动的交变力是由运动本身产生的且由反馈和调节环节所控制。振动一停止,此交变力也随之消失。自激振动与初始条件无关，其频率等于或接近于系统的固有频率。如飞机飞行过程中机翼的颤振、机床工作台在滑动导轨上低速移动时的爬行、钟表摆的摆动和琴弦的振动都属于自激振动。三 振动及其利用简介振动及其利用是研究振动与波利用的理论、技术及设备的一门新兴的学科。在人类生活与生产等各个方面均获得广泛应用，并已扩展到生物工程与社会经济等众多领域，目前它正处在迅速发展过程中，由于该学科所涉及的有关技术与工农业生产及人类生活联系十分密切，已正真成为人类生产活动与生活过程中一种不可缺少的手段与必要的机制。振动（包括波动）按其类型可分为：线性与近似于线性的振动、非线性振动、波动以及电磁振荡等，因此，相应地可把振动的利用划分为在这些方面的应用。振动与波不仅已广泛应用工程技术部门，目前正在向信息技术、生物工程、社会经济领域以及人类日常生活的各个方面，预计它还会得到更进一步的发展。由于振动及其利用牵涉面很广，涉及的领域及其相关的学科较多，应用范围及其分布十分零散。因此，给它的系统和深入的研究带来较大难度，这也可能是目前其他国家未能对这一学科进行系统研究与总结的主要原因。中国首先提出了“振动及其利用”学科的新概念，并进行了综合与总结并提出了一些新技术：1) 物料在振动平面上及振动锥体内运动的理论。研究了直线运动、圆周运动及椭圆运动的各类振动工作面上及锥体内的物料滑行运动和抛掷运动的理论，进而提出了振动机运动学和动力学参数及工艺参数的计算方法。2) 物料筛分过程的理论。结合中国企业部门的需要，研究了物料筛分过程的理论。在此基础上，研究出了一种新的概率等厚筛分的方法，并将其应用于新型筛分机械中，并在一些企业中获得了成功应用。3) 利用非线性动力学理论研究了物料的结合质量和当量阻尼。在研究含分段惯性力的非线性振动系统理论的基础上，分析了物料在振动平面上的运动特性，进而计算出在该振动系统中物料的结合系数及当量阻力系数，这为振动机械产品设计提供了有用的参考。4) 非线性自激振动系统的利用在工程中，自激振动得到广泛的应用。例如，采矿工业中应用的气动式与液压式凿岩机与碎石机，采煤用的风镐，铸造车间清理铸件的风铲，锻造车间使用的蒸汽锤，选煤厂应用的气动无活塞跳汰机，蒸汽机的工作过程也属于自激振动，由液压阀控制的往复油缸或活塞驱动的各种机件所组成的系统等。在无线电通讯及仪器仪表工业部门，如无线电收音机和电视机中的电子振荡器，各种仪器仪表中广泛采用的振荡器和不同形状波形发生器，各种恒温容器采用的开关型温度调节器等。日常生活中所必需的手表和挂钟，依赖琴弦演奏的各种乐器等。人体内心脏的跳动也是一种自激振动。5) 冲击非线性振动系统的利用利用冲击来完成工艺过程的振动机械有蛙式夯土机、振动锤锻机、冲击桩机、带有冲击的振动落砂机和振动钻探机等。冲击式振动机械是非线性振动机一个特例。根据理论计算与试验都可以证明，冲击情况下物体瞬间所产生的加速度较一般线性振动机的最大加速度大几倍、几十倍，甚至几百倍。利用冲击可以产生很大的冲击力，这对压实土壤，沉桩、使物体产生塑性变形、岩石发生破坏或碎裂、促使铸件上的型砂剥落都是十分重要。四对振动及其利用的发展进行展望振动在国民经济中的应用越来越广泛，涉及面很广，并日益受到人们的重视。振动利用的实例很多，这里不再一一枚举。振动利用的发展充实了振动工程学科的内涵，说明人们已经由认识振动进展到利用振动来改造世界，改善生活，创造价值，这是一个非常重要的转变，它将给振动及其利用学科带来一个美好的发展前景。为了在今后更好地促进这一学科的发展，以便使它更好地造福人民,应从以下几个方面开展进一步的研究：应该大力开展振动及其利用，实际应用的研究与开发工作，扩大振动技术的应用领域与范围，将振动技术广泛应用于各种工艺过程。其研究范围不应只限于工程技术额域，还扩展到人民生活和社会经济领域之中。在研究振动技术实际应用的基础上，深人开展振动及其利用基础理论与工作机理的研究，为此，必须加强非线性振动与波动理论，其中包括非线性理论的解析方法与数值方法，非线性振动的稳定性以及非线性振动系统的分叉与混沌，研究分形理论与突变论在振动及其利用中应用等。要加强振动技术与信息技术，即多媒体技术，集成电路技术，光导纤维技术，网络技术