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君子忧道不忧贫。——孔丘

单自由度振动系统及传递函数

工程上很多实际系统可以抽象为单自由度问题,使其问题简单化,例如图1

机床固定到基座上,基座和机床之间可以抽象为单自由度问题,图2为无人机激

光雷达悬挂在无人机支架上,无人机支架和激光雷达系统可以抽象为单自由度系

统。

图1

图2

一、单自由度系统组成

单自由度振动系统包括弹性元件、惯性元件和阻尼元件,如下图所示。

君子忧道不忧贫。——孔丘

弹性元件可理解为弹簧刚度系数,弹簧刚度系数的物理意义是使弹簧产生单

位位移所需施加的力,弹性元件假定弹簧是无质量的,假定振动系统的振动幅值

不会超过弹性元件的线性范围。

弹簧并联的等效刚度,是并联弹簧刚度之和。

弹簧串联后的等效刚度如下图所示。

君子忧道不忧贫。——孔丘

惯性元件,由牛顿第二定律可知,惯性元件会产生惯性力的作用,如下图所

示。

阻尼元件,阻尼系数是使阻尼器产生单位速度所需施加的力,性质如下图所

示。

二、单自由度传递函数

粘性阻尼单自由度系统的平衡方程表示惯性力、阻尼力、弹性力与外力之间

的平衡。

其中,M为质量,C为阻尼,K为刚度,ᵆ̈、ᵆ̇、x分别为加速度、速度和位

移,f为外力,t为时间变量。

这里我们把结构中呈现出来的全部阻尼都近似为一般粘性阻尼,把上面的时

间域方程变换到拉氏域(复变量p),并假定初始位移和初始速度为零,则得到

拉氏域方程:

君子忧道不忧贫。——孔丘

其中,Z为动刚度。

变换上两式可得传递函数的定义

该传递函数是个复值函数,如下图所示。

上文中讨论了拉氏域中单自由度系统的输入和输出之间的关系,这种关系也

可以在频域或时域中表达。沿频率轴(jω)算出的传递函数叫做频率响应函数

(FRF),简称频响函数:

频响函数则完全由传递函数推导得来。对于稳定的线性定常系统,令σ=0,则

s=σ+jω=jω,系统的频率响应函数H(ω)=R(jω)/E(jω)。显然,频响函数是传递函

数的特例,其只是简单地将传递函数的复变量s用jω替代得到的。

三、系统极点、阻尼比、固有频率、留数

1.极点

君子忧道不忧贫。——孔丘

在上式中,右端的分母叫做系统特征方程,它的根即为系统极点。

我们来看一下传递函数在S平面上的极点分布与原函数的波形对应图。注

意,由于传递函数H(s)与冲激响应h(t)是一对拉普拉斯变换对,所以传递函数

实际也表现了不同系统在面对冲激信号激励时候的响应。由此,图中预言了系统

在时域h(t)波形的特性。

从图中可看出,只有当极点位于S平面左半平面时,系统是稳定的。而我

们在机械工程领域遇到的绝大部分对象都是稳定的,所以系统3是我们研究的重

点。

2.阻尼比和固有频率

根据上式可以得到一些重要概念,如果没有阻尼(C=0)则所论系统是保守

系统,我们定义系统的无阻尼固有频率(单位:rad/s)为:

临界阻尼ᵃ定义为使

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