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南京航空航天大学

振动漫谈

—论文

学号：011340107 姓名：汪长江 学院：航空宇航学院

专业：土木工程

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振动简析及现象

机械振动的定义就是某一个物理量在它的平衡点的附近来回的运动或者就是物体经过它的平衡位置所做的一种往复的运动。也可以说成是物体的一部分或者是全部沿着直线或者是曲线往返的颤动，有一定的规律和周期有时为了简便，人们也把它简称为振动。振动是一个比较重要的研究课题，早在1956到1957年，荷兰的惠更斯研究成功的单摆机械钟就是振动的应用。一直到了21世纪初期，人们的研究目标就是集中在了避免共振的问题上。共振一直是一个比较大的问题在我们的生活以及生产中都会接触到一系列的振动源，例如风动工具，内燃机车，拖拉机，船舶和摩托车等。振动量就是用来衡量振动的强弱的一种量，物体的位移，速度以及加速度都是一些振动量，其中一些零件的寿命的降低就和振动有许多的关系，一旦振动的程度加大，也许就会对机器的某些零件产生一些损坏，导致它的功能失效，可能就是由于某个零件的失效，导致及其发生事故都是可能的。例如，透平叶片由于振动而引起的失效就会引起严重的事故

振动可以分为许多种类，按照产生的原因分类，可以分为自激振动，受迫振动和自由振动。如果按照振动的规律分，可以分为简谐振动，随机振动等等也可以根据其他的一些标准将振动进行划分。其中简谐振动是我们最常见的振动。

1.简谐振动

简谐振动是振动的一种形式。自变量为时间的正弦函数或者是余弦函数的一种振动，在我们的生活中是比较常见的。也是一种最简单的振动。简谐振动的特点主要有往复性，周期性，对称性。弹簧拉一个小球左右或者是上下的摆动就是简谐振动，还有单摆的运动也是简谐振动的例子。

2.共振

振动频率，加速度和振幅可以是影响振动的主要因素古希腊的阿基米德曾经说过：“给我一个支点，我会撬起整个地球”而现代的美国的发明家特土拉也说过，只要是给他一个共振器，他就能把地球一分为二。他曾经做过一个实验，就是在未竣工的钢结构架的楼房上面，把一个共振器的小物体放在其中一个钢梁上，然后就是按动了按钮，结果钢梁就开始振动，慢慢的，延伸至整个大楼。这个事例足以说明共振的危害还有发货的军队过桥，脚步声和桥的固有频率一致，南京航空航天大学

使桥的振动加强，当压力达到一定的程度，就发生了共振，以至于桥崩塌了，共振有时候也在威胁着人类的生活。

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院，大礼堂，演播室的墙面上都会加一些窗帘或者是泡沫之类的东西，让它们吸收声音的频率，因此不容易发生共振。我们现在的生活中还有一种东西叫做消声器由于现在生活节奏的加快，街上的喧闹声，鸣笛声等等影响着人们的生活，听力，休息，消声器就是这么发展来的。它就是使从枪口喷射出的高压气体经过若干的气室来吸收气体的冲击波，从而降低了枪口的噪声。随着科技的发展，会有更多的方法来控制振动的危害的5.振动的应用

振动的技术是属于一项比较交叉的学科。因此应用也就是比较广泛的。它在土木工程中以及铸造生产中都有应用。在建设楼房的时候我们都需要下地基，但是下地基打桩用传统的锤子有些吃力。现在我们可以采用振动打桩技术，通过桩体产生的振源传递给土地，致使土地产生振动，然后土粒在振动下摩擦力减少，这样桩就很容易的打进土里面了。冷却以及烘干的振动机就是利用振动的例子。振动可以促使物料处于运动的状态，利于气流的通过，为热交换创造了必要的条件。分选及混合的振动机也是类似的原理．还有许多利用振动的例子。医学上也有好多利用振动的例子。比如现在有一款化妆品叫做 美伊美，深受广大的妇女的喜爱。它的按摩机就是通过振动的原理工作的，这种机器有两种工作频率，一种是柔波的速度，另一种是快速柔波的速度。它就是通过快速微震表面达到深层洁面的作用。同时也可以按摩脸部，抚平皱纹。

机械振动在生活生产中的实际应用。在现实生活中我们能看到很多机械都是运用机械振动这一学说理论来建造出来的。比如筛分设备、输送设备、给料设备、粉碎设备等等机械设备都是将理论运用到现实生活中的结果。以下我就举些例子来加以说明机械振动具体得在哪些产品中运用到了。先说说筛分设备，筛分设备是机械振动在现实生活中运用的最多的产品。比如热矿筛、旋振筛、脱水筛等各种各样的筛分设备。顾名思义，筛分设备就是运用振动的知识和筛分部件将不同大小不同类型的物品区分开来，以减少劳动力和提到生产效率。例如：热矿筛采用带偏心块的双轴激振器，双轴振动器两根轴上的偏心块由两台电动机分别带动做反向自同步旋转，使筛箱产生直线振动，筛体沿直线方向作周期性往复运动，从而达到筛分目的。又如南方用的小型水稻落谷机，机箱里有一块筛网，由发动机带动连杆做往复运动，当水稻连同稻草落入筛网的时候，不停的振动会让稻谷

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通过筛网落入机箱存谷槽，以实现稻谷与稻草的分离，减少人力资源，提高了农业效率。

输送设备运用到机械振动也是很多的。比如：螺旋输送机、往复式给料机、振动输送机、买刮板输送机等输送设备。输送设备就是将物体从一个地方通过输送管道输送到另一个地方的设备，以节约人力资源，提高生产效率。例如：广泛用于冶金、煤炭、建材、化工等行业中粉末状及颗粒状物料输送的振动输送机，采用电动机作为优质动源，使物料被抛起的同时通过输送管道做向前运动，达到输送的目的。

给料设备在某种程度上与输送设备有共同之处，例如：振动给料机、单管螺旋喂料机、振动料斗等设备。就拿振动料斗来说吧，振动料斗是一种新型给料设备，安装在各种料仓下部，通过振动使物料活化，能够有效消除物料的起拱，堵塞和粘仓现象，解决料仓排料难的问题。

钢结构失稳监测。结构的稳定性可用结构的模态参数（主要是自振频率和振型）进行描述。结构的模态参数是结构的一个非常重要的性态表现。它反映了结构的质量和刚度分布状况，从结构的模态参数发生的变化，可以定性或定量地判别结构稳定状态的改变。建筑结构的整体失稳往往是由于构件的老化或在地震等灾害作用下，连接件或构件的局部失稳所引起，任何由于局部失稳而造成的质量和刚度矩阵的变化都将从频率及振型量测值的变化上表现出来。如果发现当前所测的结构频率及振型与原来的频率及振型有差别，可以认为结构的质量和刚度矩阵发生了变化，频率和振型的变化到一定程度，即结构中的部分构件、连接件的稳定性发生了变化或结构的整体稳定性发生了变化，因此可以通过对结构振动响应的测量信息，来识别结构或构件的模态参数，进而根据模态参数变化来判断结构或构件的稳定性。

利用结构或构件的振动特性进行失稳监测和预估屈曲荷载的概念可以追溯到２Ｏ世纪３Ｏ年代，Ｓｏｍｍｅｒｆｉｅｌｄ试验了一根悬臂柱，在柱的自由端附加一个变荷载，发现系统的固有频率随荷载的增加而下降，当顶端荷载达到柱的屈曲载荷时，固有频率接近于０。２０世纪７Ｏ年代起。以Ｓｉｎｇｅｒ为代表的西方学者，结合航空航天事业的发展，利用振动频率特性预估屈曲载荷方法对金属桁条加筋圆柱壳进行了深入的研究，发现在临界屈曲前，高载荷处的频率急

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剧下降。中国国防科技大学雷勇军等为了验证复合材料圆柱壳的失稳与壳体振动频率的关系，进行了复合材料圆柱壳在轴压和外压作用下失稳荷载的振动监测试验。中国建筑科学研究院钱基宏 以一个简单的２４单元六角星型球面钢网壳结构为例，对薄壳的失稳与其振动特性之间的关系进行了研究。

大量的试验和理论研究证明：①结构自振频率与其所受载荷的大小有关，随着所受载荷的增加，自振基频在单调下降，当接近于屈曲失稳时，自振基频急剧下降，失稳时，自振基频下降到０。②根据结构或构件的振动特性与其稳定性之间的相互关系，通过一定的监测方法或手段，从实际结构或构件中提取反映其振动特性变化的参数，并根据该参数的变化趋势就可以判断结构或构件的稳定性。

利用ＧＰＳ实现的失稳振动监测ＧＰＳ作为一种新监测方法，由于其硬件和软件的发展和完善，特别是高采样率（目前有的采样率已高达２０ Ｈｚ）ＧＰＳ接收机的出现．为高层和高耸钢结构动态稳定性监测提供了一种新途径。这种监测方法一般将监测点设在高层建筑物顶部或高耸钢结构的最高点上，另外在被监测的建筑物附近设置两个固定点，其中一点作为固定基准点，另一点作为参考点，各点均放置１台ＧＰＳ接收机．数据的采集时间一般在风很小、天气良好的夜晚，每次按动态观测模式连续观测约30分，数据采样率 般可设置为0.5s，可得到监测点和参考点相对于基准点的三维坐标数据序列，对此数据序列进行分析，得到经均值化后的时程 曲线，经过采用频谱分析法或小波分析法就可实现监测点的动态特征（频率和幅值）的提取，将每次观测得到的动态特征绘制成曲线，就可得动态特征的变化曲线，从而可以判断钢结构的稳定性。

该监测系统一般由４个部分组成：传感系统、数据的采集和处理系统、通讯系统、监控中心和报警设备。传感系统用于将待测物理量转变为电信号；数据的采集和处理系统一般安装于待测结构中，采集传感系统的数据并对数据进行初步处理；通讯系统将采集并处理过的数据传输到监控中心；监控中心和报警设备利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行分析并对结构的稳定性作出评估，如发现异常，发出报警信息。由于被监测建筑结构的复杂性，传感器型号的合理选择、传感器的优化布置将是保证系统能否有效工作的前提和基础，因为这直接影响到监测所获信息的质量和数量。目前使用于钢结构失稳监测的传感器主要有：加速度传感器、应变传感器、光纤传感器、压电变频器、形状记忆合金传感器和微电

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子力学系统传感器等，其中加速度传感器、光纤传感器主要用于结构失稳的振动监测。传感器的优化布置方案主要有Ｋａｍｍｅｒ提出的有效独立法、Ｇｕｙａｎ模型缩减法、模态动能法等。

总而言之，机械振动在现实生活生产中的应用是多种多样的，有的是直接应用，有的是间接应用。总之，科学的力量是强大的，只有把科学转变为科技才能造化人类，造福社会。当然振动也是会带来灾害的，尤其是共振时，其灾害是最危险的，以下我就举例来说明下。

6共振的危害

古希腊的学者阿基米德曾豪情万丈地宣称：给我一个支点，我能撬动地球。而现代的美国发明家特斯拉更是“牛气”，他说：用一件共振器，我就能把地球一裂为二!他来到华尔街，爬上一座尚未竣工的钢骨结构楼房，从大衣口袋里掏出一件小物品，把它夹在其中一根钢梁上，然后按动上面的一个小钮。数分钟后，可以感觉到这根钢梁在颤抖。慢慢地，颤抖的强度开始增加，延伸到整座楼房。最后，整个钢骨结构开始吱吱嘎嘎地发出响声，并且摇摆晃动起来。惊恐万状的钢架工人以为建筑出现了问题，甚至是闹地震了，于是纷纷慌忙地从高架上逃到地面。眼见事情越闹越大，他觉得这个恶作剧该收场了，于是，把那件小物品收了回来，然后从一个地下通道悄悄地溜开了，留下工地上的那些惊魂未定、莫名其妙的工人。

上面这一段是一本书中有关美国著名发明家特斯拉进行共振器发明的描写，里面所说的“小物品”便是一个共振器。可以预见，若是他把这个小物品再开上那么十来分钟，这座建筑物准会轰然倒地。这件共振器的威力主要在于它能发出各种频率的波，这些不同频率的波作用于不同的物体，就能够相应地产生出一种共振波，当这种共振波达到一定程度时，就能使物体被摧毁。

想必有些人知道1940年11月7日那座舞动的塔科马海峡大桥吧！大风吹着大桥而引起了机械共振最终导致了大桥的坍塌。在这事故中成功逃离的里奥纳德·科茨沃斯（Leonard Coatsworth）在事后说道：“当我刚驾车驶过塔桥时，大桥开始来回剧烈晃动。当我意识到时，大桥已经严重倾斜，我失去了对车的控制。此时我马上刹车并弃车逃离。我耳边充斥着混凝土撕裂的声音。而汽车在路面上来回滑动。我看到大桥彻底被摧毁的一幕，我的车也随着大桥一起坠入了海峡。”

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以下是当时的图片：

图（1）、图（2）中，大桥被风吹的东摇西晃，两边的幅度相差几米，这完全不是一座坚硬的大桥，更像是一条柔软的丝带在风中翩翩起舞。大桥经不起这样剧烈的摇晃，最终还是如图（3）所示那样坍塌了。可见不防止共振是会带来很大的灾害的。唯一值得庆幸的就是在这件事故中并没有人员的伤亡。

当过兵的人都知道当部队通过大桥时，一定是便步走过去而不是跨着整齐的步伐走过去。这是为什么？其实道理很简单，这就是以防整齐的步伐所产生的周期频率碰巧接近大桥的固有频率，激起大桥的共振而导致大桥坍塌，因而造成不必要的损失。然后有些无知的军官就犯了这样不该犯的错误。1831年，一队骑兵队列通过英国曼切斯特附近的一座吊桥时，他们雄赳赳、气昂昂，“嗒、嗒”的马蹄声节奏分明有力。突然，不幸的事情发生了，随着一声巨响，大桥莫名其妙地倒塌了，人与马纷纷坠入河中，导致伤亡惨重。无独有偶，在1906年，俄国首都彼得格勒有一支全副武装的沙皇军队，步伐整齐、不可一世地通过爱纪华特大

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桥。这座大桥十分坚固，纵然跑过千军万马也难以撼动。可是正在指挥官洋洋得意的时候，突然间桥身剧烈振动起来。然后伴随着一声巨大的断裂声，大桥崩塌了。顿时，军官、士兵、辎重、马匹纷纷落水，马嘶人叫，狼狈不堪。究其原因就是整齐的步伐引起了大桥的共振，最终酿成了悲剧。

共振的危害是众多的，例如：1995年7月初，天全某水泥厂2号机立窑在因故更换风机时，由于忽视了共振现象的产生和危害，仅在7、8两个月时间里，就发生了连续损坏罗茨风机3台和215kW电机一台的重大设备事故，直接经济损失达40多万元。现场事故分析和补救措施处理的实践证明：此次重大设备事故，是共振现象造成的，损失严重，教训深刻。

共振会对人体产生危害，人体各部位都有不同的频率，如眼球频率约60ZH，颅骨最大约200ZH。把人体作为一个整体来看，如水平方向的固有频率为3-6ZH，垂直方向的固有频率约48ZH。因此，国家规定，要求各类振动机械频率必须大于20ZH，尽量除去振动源的频率与人体有关部位的固有频率产生共振。

这样的危害是可以避免的，只要我们能知道什么是共振就知道该如何去防止。共振这一物理现象并不是总给人类带来危害，在很多情况下，人们可以巧妙地利用它来为人类服务。