第一章_机械振动与噪声概述课件

1、船舶动力机械振动与噪声学船舶动力机械振动与噪声学主讲人：航海学院主讲人：航海学院 刘乔刘乔手手 机：机邮 箱：箱：第第1章章 振动问题导论振动问题导论 振动现象振动现象 振动危害和利用振动危害和利用 振动的概念振动的概念 振动的分类振动的分类振动现象振动现象l 心脏的搏动，耳膜，和声带的振动等心脏的搏动，耳膜，和声带的振动等l 汽车、火车、飞机及机械设备的振动汽车、火车、飞机及机械设备的振动l 家用电器、钟表的振动家用电器、钟表的振动l 地震及声、电、磁、光的波动等地震及声、电、磁、光的波动等振动的危害振动的危害l 轻则轻则 影响乘坐的舒适度；降低仪器、仪表影响乘坐的

2、舒适度；降低仪器、仪表的精度的精度l 重则重则 危害人体健康；引起机械设备、土木危害人体健康；引起机械设备、土木结构的破坏结构的破坏振动的利用振动的利用l 振动机械、振动压路机、振动成型机振动机械、振动压路机、振动成型机l 乐器、微波炉乐器、微波炉吉吉他他音音叉叉机械振动的定义机械振动的定义机械或结构（振动系统）在平衡位置附近的往复运动机械或结构（振动系统）在平衡位置附近的往复运动 振动系统的必要组件振动系统的必要组件1）质量原件）质量原件2）弹性原件）弹性原件 机械振动的分类机械振动的分类1、按振动系统的、按振动系统的自由度自由度数分类数分类 单自由度系统振动单自由度系统振动确定系统在振动过

3、程中任何瞬时确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置只需要一个独立坐标的振动几何位置只需要一个独立坐标的振动 多自由度系统振动多自由度系统振动确定系统在振动过程中任何瞬时确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置需要多个独立坐标的振动几何位置需要多个独立坐标的振动 连续系统振动连续系统振动确定系统在振动过程中任何瞬时几何确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置需要无群多个独立坐标的振动位置需要无群多个独立坐标的振动自由度：自由度：就是确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置就是确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置所需要独立坐标的数目所需要独立坐标的数目机械振动的分类机械振动的分类2、按振动系统的、按振动系统的激

4、励类型激励类型分类分类 自由振动自由振动系统在初始干扰或者原有的外激励取消后系统在初始干扰或者原有的外激励取消后产生的振动产生的振动 强迫振动强迫振动系统在外激励作用下产生的振动系统在外激励作用下产生的振动 自激振动自激振动系统在输入和输出之间具有反馈特性并有系统在输入和输出之间具有反馈特性并有能源的补充而产生的振动能源的补充而产生的振动激励：激励：力或者更进一步说是能量力或者更进一步说是能量机械振动的分类机械振动的分类3、按振动系统的、按振动系统的响应响应分类分类 简谐振动简谐振动能用一项时间的正弦或余弦函数表示系统能用一项时间的正弦或余弦函数表示系统响应的振动响应的振动 周期振动周期振动能

5、用时间的周期函数表示系统响应的振动能用时间的周期函数表示系统响应的振动 瞬态振动瞬态振动只能用时间的非周期衰减函数表示系统响只能用时间的非周期衰减函数表示系统响应的振动应的振动 随机振动随机振动不能用简单的函数或函数组合表达运动规不能用简单的函数或函数组合表达运动规律，只能用统计的方法表示系统响应的振动律，只能用统计的方法表示系统响应的振动响应：响应：振动规律振动规律q 振动及系统分类振动及系统分类按运动微分方程的形式可分为：按运动微分方程的形式可分为： 描述其运动的方程为描述其运动的方程为线性微分方程线性微分方程，相应的系，相应的系统称为线性系统。线性系统的一个重要特性是统称为线性系统。线性

6、系统的一个重要特性是线性叠加原理成立线性叠加原理成立描述其运动的方程为描述其运动的方程为非线性微分方程非线性微分方程，相应的，相应的系统称为非线性系统。对于非线性振动，系统称为非线性系统。对于非线性振动，线性线性叠加原理不成立叠加原理不成立 线性振动线性振动非线性振动非线性振动绪论绪论返回返回振动问题振动问题1、响应分析、响应分析2、系统辨识和系统设计、系统辨识和系统设计3、环境预测（激励力的确定）、环境预测（激励力的确定）振动系统振动系统激励输入激励输入响应输出响应输出第一类：已知激励和系统，求响应第一类：已知激励和系统，求响应 动力响应分析动力响应分析 主要任务主要任务在于验算结构、产品等

7、在工作时的动力响应（如变形在于验算结构、产品等在工作时的动力响应（如变形、位移、应力等）是否满足预定的安全要求和其它要求、位移、应力等）是否满足预定的安全要求和其它要求在产品设计阶段，对具体设计方案进行动力响应验算，若不符在产品设计阶段，对具体设计方案进行动力响应验算，若不符合要求再作修改，直到达到要求而最终确定设计方案，这一过合要求再作修改，直到达到要求而最终确定设计方案，这一过程就是所谓的程就是所谓的振动设计振动设计 正问题正问题系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应绪论绪论第二类：已知激励和响应，求系统第二类：已知激励和响应，求系统系统识别，系统辨识系统识别，系统辨识

8、求系统求系统，主要是指获得对于系统的物理参数（如质量、刚度和，主要是指获得对于系统的物理参数（如质量、刚度和阻尼系数等）和系统关于振动的固有特性（如固有频率、主振阻尼系数等）和系统关于振动的固有特性（如固有频率、主振型等）的认识型等）的认识 以估计物理参数为任务的叫做以估计物理参数为任务的叫做物理参数辨识物理参数辨识，以估计系统振动，以估计系统振动固有特性为任务的叫做固有特性为任务的叫做模态参数辨识模态参数辨识或者或者试验模态分析试验模态分析第一个逆问题第一个逆问题 系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应绪论绪论第三类：已知系统和响应，求激励第三类：已知系统和响应，求激励环境

9、预测环境预测 例如：为了避免产品在公路运输中的损坏，需要通过实地行车例如：为了避免产品在公路运输中的损坏，需要通过实地行车记录汽车振动和产品振动，以估计运输过程中是怎样的一种振记录汽车振动和产品振动，以估计运输过程中是怎样的一种振动环境，运输过程对于产品是怎样的一种激励，这样才能有根动环境，运输过程对于产品是怎样的一种激励，这样才能有根据地为产品设计可靠的减震包装据地为产品设计可靠的减震包装 第二个逆问题第二个逆问题 系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应绪论绪论系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应绪论绪论第一类：已知激励和系统，求响应：第一类：已知激励和

10、系统，求响应：动力响应分析，正问题动力响应分析，正问题 第二类：已知激励和响应，求系统：第二类：已知激励和响应，求系统：系统辨识，第一个逆问题系统辨识，第一个逆问题 第三类：已知系统和响应，求激励：第三类：已知系统和响应，求激励：环境预测，第二个逆问题环境预测，第二个逆问题振动问题的研究方法振动问题的研究方法实际系统实际系统物理模型物理模型简化模型简化模型数学模型数学模型数学方程数学方程仿真分析仿真分析实验分析实验分析物理解物理解数学解数学解解决振动问题的方法 实验研究工程实际振动问题的计算结构动力学计算技术在振动力学中的应用计算技术在汽车振动分析中的应用用计算机模拟整车的动力学特性计算工程软

11、件在振动分析中的应用发动机的有限元分析的动态演示计算技术在飞机振动分析中的应用飞机机翼的振动演示计算结构动力学在振动分析中的应用工程实际振动问题的动态演示计算工程软件在振动分析中的应用桥梁振动的动态演示计算工程软件在振动分析中的应用第一阶振型图第二阶振型图风振响应图有限元图北京植物园展览温室风振响应计算工程软件在振动分析中的应用涡轮机频率分析的动态演示振动在汽车碰撞中的应用汽车正面碰撞的演示振动在汽车碰撞中的应用汽车正面碰撞的振型演示车身第9阶自振频率车身第10阶自振频率车身第12阶自振频率振动在汽车碰撞中的应用碰撞场景碰撞结果碰撞前碰撞中碰撞后汽车碰撞实景以及前后分析图解振动力学在现代科技的

12、应用振动力学在现代科技的应用纳米管振动 的幅频特性与单自由度系统特性完全相同，且共振频率很高，达 2.4 MHz，因此以纳米管作为振动传感器可以获得很宽频带的传感器。 1999年Science 杂志振动实验与测试 线性条件下，被测试的结构的振动特性是结构固有的，可以用不同的数学模型描述，但这些模型均是对结构特征值的近似表示，关键在于解决实验模型和结构实际特性之间的近似程度问题。 测试系统应包括：试验结构、激励系统、测量系统、分析系统、检测系统。振动实验与测试 光测法：将机械振动转换为光信息进行测量 电测法：机电变换原理。 机械法：杠杆（相对式接触式）或惯性原理（绝对式接触式）接收并记录振动振动

13、测试方法如下所述。振动实验与测试感应式振动试验台 可进行试验的项目：冲击、正弦、正弦+随机、随机、随机+随机、实测信号模拟、冲击响应谱、瞬态捕捉。振动实验与测试用振机进行拱坝原体振动试验三向六自由度（两个水平向及竖向的平动，绕三个主轴的转动共三向六个自由度）地震模拟振动台振动实验与测试高塔的风洞实验和振动台架实验振动实验与测试高层建造结构振动台模型试验振动实验与测试 采用激振器对整车进行 激 励 ， 激 振 器 端 部安装力传感器，通过安装在车架和车身上的传感器测量车辆的动力响应。整车模拟振动试验台振动实验与测试 军用飞机发动机齿轮在飞行过程中出现断裂。经过模态分析发现齿轮某一阶工作频率与发动

14、机工作频率非常接近。安装在振动台上以此频率进行激励，一小时以后齿轮出现与实际工作破坏相同的裂纹， 表明是共振引起破坏。振动实验与测试喷气飞机全机振动试验振动实验与测试空调风机的振动模态实验测试实例图示振动实验与测试 机械系统中，回转体不平衡引起的振动，往往也是一种周期性运动。例如，下图是某钢厂减速机上测得的振动信号波形(测点3)，可以近似的看作为周期信号。某钢厂减速机振动测点布置图绪论绪论A 振幅：表示物体离开平衡位置的最大位移；振幅：表示物体离开平衡位置的最大位移；T 周期周期-圆频率圆频率q 简谐振动简谐振动 tTAx2sinfT22tAxsint相位角相位角: :决定振动物体在决定振动物

15、体在 t 时刻运动状态的重要物理量；时刻运动状态的重要物理量；初相位，即初相位，即t=0时的相位，表示振动物体的初始位置时的相位，表示振动物体的初始位置。)sin(costitAAexti复数表示：复数表示：一般取虚部一般取虚部q 简谐振动的速度和加速度简谐振动的速度和加速度2sincostAtAxvtAtAxasinsin22 xx2 （1 1）只要位移是简谐函数，则速度和加速度也是简谐函数，而且与位移具）只要位移是简谐函数，则速度和加速度也是简谐函数，而且与位移具 有相同的频率；有相同的频率；（3）表明简谐振动的加速度与位移恒成正比而反向，即加速度始终指向）表明简谐振动的加速度与位移恒成正

16、比而反向，即加速度始终指向 平衡位置。这是简谐振动的运动学特征。平衡位置。这是简谐振动的运动学特征。2/（2）速度相位比位移相位超前）速度相位比位移相位超前 ，加速度比位移超，加速度比位移超前前q 简谐振动的叠加简谐振动的叠加 同方向上的简谐振动：两个振动方向在同一直线方向上。这两个振动同方向上的简谐振动：两个振动方向在同一直线方向上。这两个振动同时发生，最终表现出的振动形式就是它们综合的效果。同时发生，最终表现出的振动形式就是它们综合的效果。titieAxeAx2211当两个简谐振动的频率相同时当两个简谐振动的频率相同时：tititieiAAAeAeAxxxsincos2212121 由此可

17、见：合成振动仍然是一个简谐振动，其频率与原来分振动的频率由此可见：合成振动仍然是一个简谐振动，其频率与原来分振动的频率相同。合成振动的振幅决定于分振动的振幅及其相位差，两个分振动同相相同。合成振动的振幅决定于分振动的振幅及其相位差，两个分振动同相时，相位差时，相位差 = 0，则合成振动振幅等于两个振动的振幅和；两个分振动反，则合成振动振幅等于两个振动的振幅和；两个分振动反相时，相位差相时，相位差 ，则合成振动振幅等于两个分振动的振幅差。，则合成振动振幅等于两个分振动的振幅差。sincos221iAAAAeititiiAeeAex22221sincosAAAAcossin2121AAAtg设复数

18、设复数 则则式中：合成振动振幅式中：合成振动振幅 合成振动初相位合成振动初相位 当两个简谐振动的频率不同时，问题就比较复杂，因为这时两个分当两个简谐振动的频率不同时，问题就比较复杂，因为这时两个分振动的相位差本身也成了时间的函数。振动的相位差本身也成了时间的函数。 设设t=0时，两个分振动的相位差为时，两个分振动的相位差为 。则在时间为。则在时间为t时，两个分振动时，两个分振动的相位差可用下式表示。的相位差可用下式表示。tt21tAAAAAAAAcos2sincos21222122221这时，仍可应用前面的推导结果，但必须这时，仍可应用前面的推导结果，但必须 看成是一个变量。看成是一个变量。 由此可见：合成振动的振幅由此可见：合成振动的振幅A是时间是时间t的周期函数，它将以作的周期函数，它将以作 为频率为频率，在，在 的范围内变动。的范围内变动。212