物理性污染控制_第三章_振动污染及其控制

第三章振动污染及其控制第一节概述一、振动与振动污染二、振动污染源三、振动的影响一、振动与振动污染1、振动：广义地讲，任一个物理量在某一定值附近作周期性的变化均称为振动。如：地震声的产生、传播和接收(声带、耳膜)电磁振动光的波动晶体中原子的振动心脏的搏动海浪起伏机械振动：指物体在平衡位置附近作往复运动。如：汽车、火车运动中的振动飞机、船舶航行中的振动机床和刀具在加工时的振动桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动各种动力机械的振动控制系统中的自激振动振动的利用：琴弦振动；振动沉桩、振动拔桩以及振动捣固；振动检测；振动传输、筛选、研磨、抛光；振动压路机、振动给料机和振动成型机等。2、振动污染振动污染：振动超过一定的界限，轻则对人的生活和工作环境形成干扰，降低机器及仪表的精度；重则危害人体健康、引起机械设备及土木结构的破坏。振动污染特点：主观性局部性瞬时性二、振动污染源环境振动污染的主要来源自然振动：地震、火山爆发等人为振动：工厂振动源、工程振动源、道路交通振动源、低频空气振动源。1、工厂振动源工业生产中的振动源主要有旋转机械、往复机械、传动轴系、管道振动。振级为60~100dB,峰值频率在10~125Hz范围。2、工程振动源3、道路交通振动源5、低频空气振动源：指人可听见的100Hz左右低频。工程施工现场的振动源主要有打桩机、打夯机、水泥搅拌机、碾压设备、爆破作业以及各种大型运输机车等。振级为60~100dB。主要是铁路和公路振源。在离轨30米处，振动频率在20~80Hz范围内;振级在75~90dB范围内。公路的振动频率主要在5-63Hz范围，振级在65~90dB范围。4、农业机械：拖拉机、收割机、脱粒机。振动污染源按其形式又可分为：①固定式单个振动源；②集合振动源。振动污染源按其动态特征又可分为：稳态振动冲击振动无规则振动铁路振动。三、振动的危害1、振动对人体的危害按作用于人体的部位和传导方式局部振动：指振动通过手臂传导至全身。风动工具：铆钉机、凿岩机、捣固机等。电动工具：电钻、砂轮机、铣床等。煤矿工人使用电钻打眼工人使用砂轮机打磨工件工人使用风钻打眼铁道工人使用捣固机夯实铁轨全身振动：指通过下肢或躯干传导至全身的振动。交通工具：汽车、火车、船舶、飞机农机械：拖拉机、收割机等作业台：钻井平台、振动筛、采矿船等（1）局部振动——全身性神经系统：以上肢手臂末梢神经功能障碍为主，常以多发性末梢神经炎的形式出现。表现为皮肤感觉迟钝、振动觉和痛觉减退，神经传导速度减慢，反应潜伏期延长等。心血管系统：血压、心率不稳，手多汗等。高频率、小振幅振动可引起血管收缩和血压上升，甚至引发血管痉挛；低频率、大振率振动则可使血管扩张和血压下降，心电图异常。40～300Hz的振动可引起末梢毛细血管形态和张力发生改变。骨骼-肌肉系统：手部肌肉萎缩（鱼际肌和指间肌多见），手握力和手指捏合力下降。40Hz以下大振幅冲击振动可引起骨和关节改变，以指骨、掌骨、腕骨和肘关节多见，主要表现为脱钙、囊样变，骨皮质增生，骨岛形成，无菌性骨坏死以及骨关节变形等。其它系统，如免疫系统、内分泌系统功能异常。与噪声共存时，可加重噪声对听力的损害。局部振动病：长期使用振动工具而引起的以末梢循环障碍为主的疾病，也可累及肢体神经和运动功能。发病部位多在上肢末端，发作性手指变白是其典型表现。正常手部颜色雷诺氏症—振动性白指正常指关节图像（2）全身振动——一般为低频率大振幅振动振动强度大、时间长，则可产生多器官、系统的不良影响，如机械性损伤，呼吸增强、低碳酸血症，交感神经紧张，抑制胃酸分泌和胃肠蠕动，作业能力与工效降低。振动病：亦称晕动病，由不同方向的振动加速度反复过度刺激前庭器官所引起的一系列急性反应症状。患者先出现疲劳，出冷汗，面色苍白等，继之眩晕、恶心、呕吐，甚至血压下降，视物模糊，频繁呕吐还可引起水电解质紊乱，少数严重反应者甚至出现休克。2、振动对构建物的危害振动通过地基传递到房屋等构建物，导致构建物破坏，其影响程度取决于振动的频率和强度。共振的放大作用会带来更严重的破坏的危害。载重车辆对道路两侧建筑物产生共振，发生地面晃动和门窗抖动。振动可能引起结构的大变形破坏，有的桥梁曾因振动而坍毁——塔科马大桥2010年5月22日，欧洲最长大桥——俄罗斯境内长达7公里的伏尔加河大桥发生离奇晃动难得一见的飞机“音障”共振现象战神突破音障2000年亚特兰蒂斯号航天飞机升空时突破音障瞬间第二节振动基础振动问题的研究方法－与分析其他动力学问题不同的是：一般情形下，都选择平衡位置作为广义坐标的原点。一、简谐振动基本概念简谐振动：物体运动时，离开平衡位置的位移(或角位移)按余弦(或正弦)规律随时间变化。1、特征弹簧振子：连接在一起的一个忽略了质量的弹簧和一个不发生形变的物体系统。平衡位置：物体做往复运动时，在某位置所受的力(或力矩)等于零，则此位置称平衡位置。XOFFXOXO合Fkx动力学特征回复力：作简谐运动的质点所受的沿位移方向的合外力,该力与位移成正比且反向。运动学特征:mkxxmka20222xdtxd2.规律解0xdtxd222tx图tv图ta图TAA2A2AxvatttAAoooTT)cos(tAx0取π2T)2πcos(tA)sin(tAv)πcos(2tA)cos(2tAa简谐振动中质点位移、速度、加速度与时间的关系:3、简谐振动的振幅、周期、频率和相位(1)振幅:物体离开平衡位置的最大位移的绝对值。由初始条件确定])(cos[)cos(00tTAtAx(2)周期和频率周期：物体作一次完全运动所经历的时间。频率：单位时间内物体所作完全运动的次数。21T2020)(vxA22T圆频率:物体在2π秒内所作的完全运动的次数。(3)相位和初相相位：决定简谐运动状态的物理量。)(0t初相位：t=0时的相位。0相位概念可用于比较两个谐振动之间在振动步调上的差异。二、简谐振动的合成1、两个同方向同频率简谐运动的合成21xxx)cos(tAx)cos(111tAx)cos(222tAx11A1xx0Ax2x2A222112211coscossinsintanAAAA)cos(212212221AAAAA两个同方向同频率简谐运动合成后仍为简谐运动xxtooA21AAA1A2AT1）相位差π212k),210(，，k讨论相互加强xxtoo21AAAT2A1AA2）相位差π)12(12k),10(，ktAxcos11)πcos(22tAx相互削弱3）一般情况2121AAAAA频率较大而频率之差很小的两个同方向简谐运动的合成，其合振动的振幅时而加强时而减弱的现象叫拍频.2、两个同方向不同频率简谐运动的合成合振动频率振幅部分AtAtAxxx221121π2cosπ2cos21AA2112讨论,的情况ttAx2π2cos)2π2cos2(1212tAtAx11111π2coscostAtAx22222π2coscos21xxx1max2AA0minAπ2π212T121T121222ww拍频(振幅变化的频率)三、冲击波振动大多是冲压、锤锻之类的物体碰撞、下落运动产生的振动。所谓冲击是指给予系统的激励，与该系统的固有振动周期相比，这种激励能在很短时间内终结。冲击波及其频谱示意图四、简谐振动系统作简谐振动的物体通常称为谐振子。这个物体，连同对它施加回复力的物体一起组成的振动系统，通常称为谐振系统当振动物体不受任何阻力的影响，只在回复力作用下作振动时，称为无阻尼自由振动。1、无阻尼自由振动谐振子当回复力与位移成正比而反向时，所作的无阻尼自由振动才是简谐振动，这时，振动周期和频率完全取决于振动系统本身的各个参量，称为固有周期和固有频率(一)自由振动l0mkkxOxl0stFWl0——弹簧原长；k——弹簧刚性系数；st——弹簧的静变形；取静平衡位置为坐标原点，x向下为正kWkWstst/kxxkWFWdtxdmst)(22当t=0，x=x0时求解得txx00cosmk0kmT2式中ω0为固有圆频率：ω0还可表示为：002ff0为固有频率，与位移和振幅无关：mkf210串联弹簧与并联弹簧的等效刚度k1k2mgk1mgk2（1）串联2121212211111)11(kkkkmgkkmgkmgkmgstststststst)(2121kkmkkmknk1k2mmgF1F2（2）并联mkkmkn21ststkFkF2211,steqstkkkFFmg)(212121kkk2、阻尼振动在回复力和阻力作用下的振动称为阻尼振动。阻尼：消耗振动系统能量的原因。阻尼－系统中存在各种阻力：摩擦力，润滑表面阻力，液体或气体等介质阻力、材料内部的阻力。mkm阻尼器OxFkFfv在流体(液体、气体)中运动的物体，速度较小时，阻力与速度正比，方向相反，则txFddccvfC为阻尼系数弹簧振子受力：弹性恢复力—kx，阻力Ff运动方程:txkxtxmddcdd22引入阻尼因子0c/cC=0，为无阻尼振动；C增大，阻尼增大的振动；CC0，无振动（C0为临界阻尼系数）。阻尼振动有三种情形1110xO临界阻尼过阻尼欠阻尼欠阻尼过阻尼临界阻尼t控制阻尼大小，满足不同实际需要。阻尼振动不是周期性振动，更不是简谐振动，因位移不是时间的周期函数。但阻尼振动有某种重复性。振幅随时间作指数衰减。阻尼ζ大小决定了阻尼振动振幅的衰减程度。（二）受迫振动物体在周期性外力持续作用下发生的振动称为受迫振动。1、无阻尼受迫振动FkF（1）振动微分方程mOxx激振力的初相位激振力的圆频率力幅简谐激振力HtHF)sin()sin(22tHkxdtxdm振动微分方程)sin(2022thxdtxdmHhmk20:令特解通解2121;xxxxx，微分方程解：)sin(01tAx)sin(2tbx将x2代入微分方程)sin()sin()sin(202thtbtb解得220hb)sin()sin(2200thtAx（2）受迫振动的振幅220hbkHhb2000(1)若bb,,00单调上升率随频振幅0(2)若0,,bb增大而减小随频率振幅(3)若0幅频特性曲线（3）共振现象当＝0时，激振力频率等于系统固有频率，振幅趋于无穷大，这种现象称为共振。无阻尼系统发生共振时，振幅随时间无限增大。2、有阻尼受迫振动FkmcFmOxFkFc简谐激振力tHFsintHdtdxckxdtxdmsin22thxdtdxndtxdsin22022mHhmcnmk,2,20:令)sin()sin(e220tbtnAxnt－运动微分方程的通解为：在简谐激励作用下，有阻尼系统的总响应由二部分组成：第一部分是衰减振动；第二部分是受迫振动。引入：位移振幅倍率0阻尼比频率比bb00n2200λ11)(11bb幅频特性与相频特性1、频率比＝0附近区域(低频或弹性控制区)，振幅倍率→1，→0，响应(x)与激励(F)同相；对不同的阻尼比，曲线密集，阻尼影响不大。2、1区域(高频或惯性控制区)，→0，→，响应与激励反相；阻尼影响也不大。3、=