第一章_机械振动与噪声概述课件

船舶动力机械振动与噪声学主讲人：航海学院刘乔手机：[phone]邮箱：[e-mail]第1章振动问题导论振动现象振动危害和利用振动的概念振动的分类振动现象心脏的搏动，耳膜，和声带的振动等汽车、火车、飞机及机械设备的振动家用电器、钟表的振动地震及声、电、磁、光的波动等振动的危害轻则影响乘坐的舒适度；降低仪器、仪表的精度重则危害人体健康；引起机械设备、土木结构的破坏振动的利用振动机械、振动压路机、振动成型机乐器、微波炉吉他音叉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振动系统的必要组件1）质量原件2）弹性原件机械振动的分类1、按振动系统的自由度数分类•单自由度系统振动——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•多自由度系统振动——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•连续系统振动——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自由度：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机械振动的分类2、按振动系统的激励类型分类•自由振动——系统在初始干扰或者原有的外激励取消后产生的振动•强迫振动——系统在外激励作用下产生的振动•自激振动——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激励：力或者更进一步说是能量机械振动的分类3、按振动系统的响应分类•简谐振动——能用一项时间的正弦或余弦函数表示系统响应的振动•周期振动——能用时间的周期函数表示系统响应的振动•瞬态振动——只能用时间的非周期衰减函数表示系统响应的振动•随机振动——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响应：振动规律振动及系统分类按运动微分方程的形式可分为：描述其运动的方程为线性微分方程，相应的系统称为线性系统。线性系统的一个重要特性是线性叠加原理成立描述其运动的方程为非线性微分方程，相应的系统称为非线性系统。对于非线性振动，线性叠加原理不成立线性振动非线性振动绪论返回振动问题1、响应分析2、系统辨识和系统设计3、环境预测（激励力的确定）振动系统激励输入响应输出第一类：已知激励和系统，求响应动力响应分析主要任务在于验算结构、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，这一过程就是所谓的振动设计正问题系统（输入）激励（输出）响应√√?绪论第二类：已知激励和响应，求系统系统识别，系统辨识求系统，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、主振型等）的认识以估计物理参数为任务的叫做物理参数辨识，以估计系统振动固有特性为任务的叫做模态参数辨识或者试验模态分析第一个逆问题系统（输入）激励（输出）响应√√?绪论第三类：已知系统和响应，求激励环境预测例如：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，这样才能有根据地为产品设计可靠的减震包装第二个逆问题系统（输入）激励（输出）响应√√?绪论系统（输入）激励（输出）响应√√?绪论第一类：已知激励和系统，求响应：动力响应分析，正问题第二类：已知激励和响应，求系统：系统辨识，第一个逆问题第三类：已知系统和响应，求激励：环境预测，第二个逆问题这三类问题基本囊括了现实振动中的所有问题振动问题的研究方法实际系统物理模型简化模型数学模型数学方程仿真分析实验分析物理解数学解振动问题及其解决方法解决振动问题的方法理论分析—主要体现在“计算”实验研究—有虚拟“试验”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应用纳米管的1阶(A)、2阶(B)、3阶(C)振动的振型与悬臂梁振型相同。纳米管的截面尺度约1纳米(nm)=10-3微米(m)=10-6毫米(mm)。1999年Science杂志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2.4MHz，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振动运动学简谐振动简谐振动的叠加任意周期振动的谐波分析绪论A振幅：表示物体离开平衡位置的最大位移；T周期-圆频率简谐振动tTAx2sinfT22tAxsint相位角:决定振动物体在t时刻运动状态的重要物理量；初相位，即t=0时的相位，表示振动物体的初始位置。)sin(costitAAexti复数表示：一般取虚部简谐振动的速度和加速度2sincostAtAxvtAtAxasinsin22xx2（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，加速度比位移超前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：tititieiAAAeAeAxxxsincos2212121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；两个分振动反相时，相位差，则合成振动振幅等于两个分振动的振幅差。sincos221iAAAAeititiiAeeAex22221sincosAAAAcossin2121AAAtg设复数则式中：合成振动振幅合成振动初相位当两个简谐振动的频率不同时，问题就比较复杂，因为这时两个分振动的相位差本身也成了时间的函数。设t=0时，两个分振动的相位差为。则在时间为t时，两个分振动的相位差可用下式表示。tt21tAAAAAAAAcos2sincos21222122221这时，仍可应用前面的推导结果，但必须看成是一个变量。由此可见：合成振动的振幅A是时间t的周期函数，它将以作为频率，在的范围内变动。2121AAAAA若两个分振动的振幅相差不大，那么合成振幅按一定频率时而增大，时而减小的现象就十分明显。振幅的这种变化的现象称为“拍”，振幅从一个最小值通过最大值再到下一个最小值的时间是拍的周期T拍，其倒数就称为拍频，拍频就等于两个分振动的频率之差。谐波分析（harmonicanalysis）——把一个周期函数展开成一个富里哀级数，亦即展开成一系列简谐函数之和。任意周期振动的谐波分析阻尼振动6．基准声压的大小为（B）A．10-5PaB．2×10-5PaC．10-4PaD．102Pa习题振动必然产生声波（×）振动产生的必要条件是有质量原件、弹性原件和阻尼原件（×）已知振动系统的结构和响应，求系统的外部激励的过程叫做（C）A．动力响应分析B．系统辨识C．环境预测D．状态监测两个频率接近的简谐振动叠加会产生拍的现象（√）汽车在公路上的颠簸属于（C）A．自由振动B．强迫振动C．随机振动D．自激振动什么是噪声，机械噪声是如何分类的？机械噪音有什么危害？机械噪声的控制方法？