机械振动与机械波

minoz

振动是在平衡位置附近的往复运动。振动一般用于物理学上，指物体在平衡位置的往复运动，它指的是物体的运动。 振动一定是围绕原点进行的往返式运动，所以有振幅、位移和频率…等参数。机械运动的范围则大点，可以包括直线也可以包括弧线运动，考虑的是位移、速度、加速度…等参量。振动需要有振子，而且会有平衡位置，并且受阻尼现象的影响。运动则不然，运动是绝对的，也就是说，运动远远超过并且包括振动的范畴。
    震动则一般用于工程上（工程是物理学和材料学、化学等的综合应用），指物体受到外界的力或者其它激励而发生在平衡位置的往复运动，或者表达一种社会状态或者心理状态。也就是说，如果是指物体的“震动”，那么和“振动”实质上是一样的，只不过在各个学科习惯的说法不同；如果指的是社会状态或者心理状态，那么就不用于“振动”。比如说，社会上发生了某件事，引起高层“震动”，或者某个人看了某个有感染力的电影，心理很受震动……等等。


    “震动”的意义比“振动”更多一些，包括的范围更广一些，但是由于用法上的习惯，“震动”有的时候不能替代“振动”。


    从广泛的意义上说，如果表征一种运动的物理量作时而增大时而减小的反复变化，就可以称这种运动为振动。又：若变化着的物理量是一些机械量或力学量，例如：物体的位移、速度、加速度应力及应变…等等，这种振动便称为机械振动。
      
    振动力学是研究机械振动的运动学和动力学的一门课程。它属于理论力学的一个专题。

    一般地说：有运动或不平衡就有可能产生振动，振动是运动的一种形式……

    摆动、冲击、声音（噪声）…都是"振动"的特殊运动形式。

      机械振动即物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零、部件的早期失效。例如，透平叶片因振动而产生的断裂，可以引起严重事故。由于现代机械结构日益复杂，运动速度日益提高，振动的危害更为突出。反之，利用振动原理工作的机械设备，则应能产生预期的振动。在机械工程领域中，除固体振动外还有流体振动，以及固体和流体耦合的振动。空气压缩机的喘振，就是一种流体振动。
    机械振动理论是最早发展起来的机械动力学理论。在电动机、发电机和汽轮机出现以后，高速转子引起的振动问题变得突出起来。到20世纪中叶，线性离散系统的基本理论已经建立起来，只是由于计算能力的限制，所能够计算的自由度不太大。对连续系统的分析则局限在形状很简单的构件。
   

      振动与冲击属于可靠性测试的范畴！


       机械振动在介质中的传播称为机械波。机械波是机械震动传递能量的一种方式。

       振动机械设备一般是利用振动电机作为简单可靠而有效的动力。振动电机在"被振动体"上按照不同的安装组合形式，可产生不同的振动轨迹，从而有效完成各种作业。
       振动体的振动轨迹可分为四类：
       圆或椭圆型振动（振动体的振动轨迹在水平面上的投影是一条直线，而在垂直面上的投影为一圆或椭圆）、
       直线振动（振动体的振动轨迹在水平面及垂直面上的投影都是直线）、
       复合振动（振动体的振动是由两组激振系统产生，一般有双频复合型及双幅复合型两种形式）、
       旋振动（振动体的振动轨迹在水平面上的投影是一圆或椭圆，分为平旋型振动、涡旋型振动、复旋型振动三种形式）。
      
   振动的种类和波形：
    1.振动试验的种类


      a.正弦振动（sine）
      b.随机振动（random）
      c.正弦随机复频式振动 （sine on random ）
      d.共振搜寻（resonance search）

    2.正弦振动


     以特定的振动量在预定的频率及时间内，加以震动并连续变化其频率。连续多次的扫描测试，希望在共振频率范围内发生足够的共振次数用以鉴定产品是否有足够的强度来应付环境应力。正弦扫描的振动强度及扫描速率，对共振的发生有极重要的影响。正确的扫描速率需慢道能促发试件发生最大共振量的最短时间为重要依据。

    3.随机振动

     对大多数的振动环境而言，无论是自然或是人为环境所产生的振动，绝大部分以随机波形式存在，例如海浪、潮汐、风吹、地震、下雨……等等。故欲对试件进行环境振动的研究分析，应先取得其随即波振动模式。随即波测试效率远超过正弦扫描，且不易发生正弦扫描时所产生之应力残留等不良影响。




     振动筛：   


     振动筛是利用振子激振所产生的复旋型振动而工作的。振子的上旋转重锤使筛面产生平面回旋振动，而下旋转重锤则使筛面产生锥面回转振动，其联合作用的效果则使筛面产生复旋型振动。其振动轨迹是一复杂的空间曲线。该曲线在水平面投影为一圆形，而在垂直面上的投影为一椭圆形。调节上、下旋转重锤的激振力，可以改变振幅。而调节上、下重锤的空间相位角，则可以改变筛面运动轨迹的曲线形状并改变筛面上物料的运动轨迹。


        全振动


     从任一时刻起，物体的运动状态（位置、速度、加速度），再次恢复到与该时刻完全相同所经历的过程。

     完成一次全振动的时间是相同的（即一个周期）。
     一次全振动是指：从某一振动状态出发，又回到该振动状态所发生的振动。振动状态是由振动位移的大小、方向和速度的大小、方向决定的，只有当两个振动状态的位移(包括大小和方向)和速度(包括大小和方向)都相同时，这两个振动状态才相同，振动物体一次全振动经过的路程为四个振幅 。     





       简谐振动（simple harmonic vibration，又名：简谐运动）
     
     物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动。
     简谐振动常用数学解析式、振动曲线、旋转矢量三种方法表示。            
                  


       模态分析(频率分析):   
      
     模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
     模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
     这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析。
     如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
     通常，模态分析都是指试验模态分析。
     振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。




       振动分析:


     系统的振动要用SEA软件。最强的振动分析软件是 VA ONE ，这个是全频段的振动分析。如果想算中低频的，用rayon，中高频的用autosea2。局部部件的振动要用FEA方法，其最强的应该是nastran和ansys。
     做模拟一般有四种：TEST， FEA（有限元分析），BEA（边界元分析），SEA（统计能量分析）。
     打个比方，比如你要做电脑机箱的振动分析，由于振动的部件特别多，你得要先用CAD软件把机箱内振动的部件都划出来，导入到有限元软件里，然后对每个部件划分网格，我看这个很少有人能划得出来，而用SEA的软件，只要把CAD导入过去，直接给振动源的地方加个振动点就可以了，这样连这个部件都可以省略。
但是对于机箱里某个部件（比如单个风扇）就不能用SEA的方法了，那就要用CAD划出风扇，然后划分网格，用FEA就可以算了。
     但是如果对于一个系统的振动的话，还是建议你用sea，因为你就是用fea一个部件一个部件的优化振动，可能这个部件振动优化了，但是其振动有些东西又传给旁边的部件了，所以对于整体而言，你得要从整体考虑，一个一个地考虑就割断了部件与部件间的振动。
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_548f1a0501018lod.html

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  波 在物理学上的分类
     
       按性质分三种：


       电磁波：http://baike.baidu.com/view/1015.htm  
       从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。 正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。        产生：电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为：电磁波，也常称为：电波。       电磁波的传播速度：在真空中传播时的光速c=299792458m/s ，在不同介质传播则与介质的μ有关。        光传播速度也由介质决定：　　 例如：光通过镜片，镜片就是介质；光进入水里，水就是介质。　　 光在水中的速度：2.25×10^8 m/s，光在玻璃中的速度：2.0×10^8 m/s ，        光在冰中的速度：2.30×10^8 m/s ，光在空气中的速度：3.0×10^8 m/s ，        (真空是2.99792×10^8 m/s ,空气中是2.99×10^8 m/s)，光在酒精中的速度：2.2×10^8 m/s       机械波： http://baike.baidu.com/view/151450.htm         机械振动在介质中传播而形成的波。按介质中质点振动方向和波传播方向间的关系，可分为横波和纵波两种：质点振动方向与波传播方向垂直的叫横波；在一条直线上的则叫纵波。固体中既能传播横波又能传播纵波；液体和气体中只能传播纵波。机械波是由扰动的传播所导致的在物质中动量和能量的传输。一般的物体都是由大量相互作用着的质点所组成的，当物体的某一部分发生振动时，其余各部分由于质点的相互作用也会相继振动起来，物质本身没有相应的大块的移动。例如，沿着弦或弹簧传播的波、声波、水波。我们称传播波的物质叫介质，它们是可形变的或弹性的和连绵延展的。对于电磁波或引力波，介质并不是必要的，传播的扰动不是介质的移动而是场。水波、声波、绳波、地震波…等是机械波。机械波的产生：机械振动在介质中的传播过程叫机械波．机械波产生的条件有两个：一是要有做机械振动的物体作为波源，二是要有能够传播机械振动的介质。
       广义的介质可以是包含一种物质的另一种物质。在机械波中，介质特指机械波借以传播的物质。仅有波源而没有介质时，机械波不会产生，例如，真空中的闹钟无法发出声音。机械波在介质中的传播速率是由介质本身的固有性质决定的。在不同介质中，波速是不同的。       声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质叫做声的介质。       声的传播速度：V气      声在不同温度下的传播速度：V高>V低 (指温度)。       0℃时，声波在不同介质的传播速度（单位：米/每秒）：

介质	空气	纯水	盐水	橡胶	软木	铜	铁
波速	332	1490	1531	30～50	480	3800	4900

       真空 0 m/s（也就是不能传播）       空气（15℃）340 m/s ＝1224.0 公里/小时       空气（25℃）346 m/s ＝1245.6 公里/小时         软木 500m/s         煤油（25℃）1324m/s         蒸馏水（25℃）1497m/s         海水（25℃）1531m/s         铜（棒）3750m/s         大理石 3810m/s         铝（棒）5000m/s         铁（棒）5200m/s        物质波： http://baike.baidu.com/view/181885.htm          物质波（德布罗意波），是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的几率其中概率的大小受波动规律的支配。比如一个电子，如果是自由电子，那么它的波函数就是行波，就是说它有可能出现在空间中任何一点，每点几率相等。如果被束缚在氢原子里，并且处于基态，那么它出现在空间任何一点都有可能，但是在波尔半径处几率最大。对于你自己也一样，你也有可能出现在月球上，但是和你坐在电脑前的几率相比，是非常非常小的，以至于不可能看到这种情况。这些都是量子力学的基本概念，非常有趣。物质波是微观世界之微观粒子具有的特性， 因此，光波也被认为是一种物质波。
　　按振动方向与传播方向的关系来分：三种--------横波、纵波、球面波。质点振动的方向跟波的传播方向垂直的波叫横波，质点振动的方向跟波的传播方向平行的波叫纵波。
　　按波的形状来分：不定，波的形状象什么，就叫什么波。如方波（有的也叫矩形波）、锯齿波、脉冲波、正弦波、余弦波等。
　　按波长来分：长波、中波、中短波及微波。
　　按强度来分：常波（普通波）、冲击波。
  　（其中在声波中还有超声波和次声波）等等，没有统一的要求，一般在什么条件下用什么分类方法。


     波动是一种重要而普遍的物质运动形式，例如绳子上传播的波，空气中传播的声波，水面波等。它们都是机械振动在弹性媒质中的传播形成的，这类波称为机械波。 波动并不限于机械波，无线电波、光波等也是物质的一种波动形式。这类波是交变电磁场在空间的传播，通称为电磁波。机械波和电磁波的本质是不同的，但它们具有波的共性。从运动学上来讲，机械波和电磁波的形式是一样的，但是，从动力学角度上看来，两者有本质上的区别。机械波用的是弹性介质的方程来描述的，而电磁波用的是电场和磁场的梯度函数来描述的。
波动是物质运动的重要形式，广泛存在于自然界。被传递的物理量扰动或振动有多种形式，机械振动的传递构成机械波，电磁场振动的传递构成电磁波（包括光波），温度变化的传递构成温度波（见液态氦），晶体点阵振动的传递构成点阵波（见点阵动力学），自旋磁矩的扰动在铁磁体内传播时形成自旋波（见固体物理学），实际上任何一个宏观的或微观的物理量所受扰动在空间传递时都可形成波。
        最常见的机械波是构成介质的质点的机械运动（引起位移、密度、压强等物理量的变化）在空间的传播过程，例如弦线中的波、水面波、空气或固体中的声波等。产生这些波的前提是介质的相邻质点间存在弹性力或准弹性力的相互作用，正是借助于这种相互作用力才使某一点的振动传递给邻近质点，故这些波亦称弹性波。振动物理量可以是标量，相应的波称为标量波（如空气中的声波），也可以是矢量，相应的波称为矢量波（如电磁波）。振动方向与波的传播方向一致的称纵波，相垂直的称为横波。
         波就是振动的传播，通过介质传播。在同种均匀介质中，振动的传播是匀速直线运动，这种运动，用波速V表征。对于匀速直线运动，波速V不变（大小不变，方向不变），所以波速V是一个不变的量。介质分子并没有随着波的传播而迁移，介质分子的永不停息的无规则的运动，是热运动，其平均速度为零。
研究振动和波，假定所有的介质分子都是静止的。它们每一个个体的运动，只是简谐振动。作简谐振动的质点的运动速度，时时刻刻都是变化的。如果振动方程是x=Asinωt，则速度是v=ωAcosωt，时间t变化，振速v随时间而发生变化。
当振动在介质中传播时，有两种形式：
一种叫做P波，又叫做纵波。这种波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。
另一种叫做S波，又叫横波，这种波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向垂直。电磁波、光波都是横波。
         固体有切变弹性，所以在固体中能传播横波，纵波在固体、液体和气体中都可以传播。液体表面形成的水波是由于重力和表面张力作用而形成的，表面每个质点振动的方向又不和波的传播方向保持垂直，严格说，在水表面的水波并不属于横波的范畴，在水表面的水波并不属于横波的范畴，因为水波与地震波都是既有横波又有纵波的复杂类型的机械波。
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        “波”的重要应用之一“水声通信”即是在水下收发信息的技术（因为电磁波无法在水下传播）。一般地，声波在水下频率越高，损耗越大
    水声通信的工作原理就是首先将文字、语音、图像…等信息，通过电发送机转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，换能器又将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质，将信息传递到接收换能器，这时声信号又转换为电信号，解码器将数字信息破译后，电接收机才将信息变成声音、文字及图片。