深度理解阻尼振动微分方程
费恩曼 阻尼振动 公式24.9
费恩曼阻尼振动公式24.9
费恩曼阻尼振动公式在物理学中具有重要地位，它描述了在阻尼介质中振动的物体受到阻尼力作用时的运动规律。
这个公式能够帮助我们更准确地预测和描述各种振动现象，如地震、机械振动等。
费恩曼阻尼振动公式通常表示为：
x(t) = A * cos(ω0 * t - φ0) * e^(-γ * t)
其中，x(t) 是物体在时间 t 处的位置，A 是振幅，ω0 是角频率，φ0 是初相角，γ是阻尼系数。
在我们的问题中，我们已知费恩曼阻尼振动公式的数值为24.9，但尚未给出具体的阻尼系数γ。
通过使用这个数值24.9，我们可以求解出振幅A的表达式：
A = 24.9 * γ / cos(φ0 - ω0)
这个表达式揭示了阻尼系数γ与振幅A之间的关系。
通过进一步求解其他参数，如角频率ω0、初相角φ0等，我们可以更全面地了解阻尼振动的规律。
需要注意的是，费恩曼阻尼振动公式的适用范围是有限的，它通常用于描述那些阻尼介质中的振动现象，如空气、液体等。
对于不同的阻尼介质，阻尼系数γ的取值会有所不同，这将直接影响到振幅A的大小。
因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况来调整和优化阻尼系数，以实现最佳的振动效果。
阻尼振动
2
0
i t
2
2
通解：x
e
t
( c1 e
t
i t
c2e
)
i
1
可写成 x Ae
cos( t )
A 与 由初始条件确定。
A
5
x0
2Hale Waihona Puke (v0 x 0 )2
0
2
tg
(v0 x 0 )
0
2
x Ae
t
x
欠阻尼 过阻尼 临界阻尼
t
临界阻尼达到平衡位置的时 间最短，但仍不能超过平衡 o 位置。 临界阻尼情况是振动系统刚 刚不能作准周期振动，而很 快回到平衡位置的情况，应 三种阻尼振动比较 用在天平调衡中。
8
二、受迫振动 共振
1.受迫振动 在阻尼振动中，要维持振动，外界需加一个周期 的强迫力------策动力。这种在周期性处力作用下进行 的振动叫受迫振动。 1.受迫振动方程 以弹簧一维振动为例 阻尼力 F阻 v 弹簧受弹性力 F 弹 kx
2
2
时A最大。 当阻尼很小，策动力频 率等于固有频率时振幅 最大------共振。
H m
2
dx dt
0 x h cos p t
受迫振动方程---二阶常系数非齐次微分方程 通解 x A 0 e t cos( t ) A cos( p t )
受迫振动可以看成是两个振动合成的。
10
通解： x A 0 e
t
cos( t ) A cos( p t )
2
1.阻尼振动方程（低速） 以弹簧一维振动为例 振动系统受介质的粘滞阻力与速度大小成正比， v 与其方向相反。
1.4有阻尼的受迫振动解析
F0 it c k x x x e m m m
其中， 0
k m
系统的无阻尼固有频率；
系统的阻尼比；
c 2 km
i (t ) x ( t ) Ae 设非齐次方程的特解，即稳态响应：
2 A 2 e i (t ) i 2 0 Ae i (t ) 0 Aei (t )
2. s＝1处，即 不同
区间单调上升的曲线；
1 0 2 时，共振，
的曲线共交于一点。
3. 小阻尼 0
s 1
0
时，激励力与位移同相； 时，激励力与位移反相；
s 1
,
l 例题：已知等效质量m且可简化于杆长 处，阻尼为c，弹簧刚度为k， 3 F (t ) F0 sin t ，水平位置平衡，试求： 1. 动力学微分方程；
第四节 有阻尼的受迫振动
一．
定义：
受迫振动：有阻尼的系统在外界控制的持续激 励作用下所产生的振动。 激励：外界力、基座运动所产生的惯性力。 响应：激励所引起的系统的振动状态。
非自治系统：显含时间变量的系统。
二．
有阻尼受迫振动
受激励力存在使得动力学方程成为非齐次方程：
cx kx F0 eit m x
9 F0 4c 9k sin t m m ml
(2)
0
9k k =3 m m
2c m
3F0 B k
2c 0 3 mk
9F 4c 9k 0 sin t m m ml
当 n时 振幅（最大摆角)
Amax B 3F0 3 mk 9F0 2 2kl 2c 4cl
2.
s＝1（接近共振），且
阻尼对振动的影响
设特解为：y=Asinθt +Bcos θt代入上式得：
A F
2 2
, B F
2
m ( 2 2 )2 4 2 2 2
m ( 2 2 )2 4 2 2 2
齐次解加特解得到通解：
y {et C1cosrt C2 sinrt} +{Asin θt +Bcos θt }
2f 4.48 1s
(3)阻尼特性
1 ln 2 0.0355, 2 1.6
r
12
1
(0.999) 2
(4)6周后的振幅
y0 y1
e t0 e (t0 T )
eT
y0 y6
e t0 e (t0 6T )
e6T
•当θ<<ω时,α→0°体系振动得很慢，FI、FD较小，动荷主
要由FS平衡，FS与y反向，y与P基本上同步；荷载可作静荷 载处理。
•当θ>>ω时,α→180°体系振动得很快，FI很大，FS、FD相对
说来较小，动荷主要由FI 平衡， FI 与y同向，y与P反向；
y yP sin(t ), FS ky kyP sin(t ), FI my m 2 yP sin(t ), FD cy c yP cos(t )
ξ ＞1
大阻尼
ξ =1
临界阻尼
ξ＜1
小（弱）阻尼
1）低阻尼情形 ( <1 )
令 r 1 2
λi=-ωξ ± iωr
方程的一般解为：
y(t) et (C1 cosrt C2 sin rt)
由初始条件确定C1和C2；
设
1.4有阻尼的受迫振动振动力学课件
F (t )
m mx
实部和虚部分别与 F0 cos和t F相0 s对in 应t 。 振动微分方程：
mx cx kx F0eit
x为复数变量，分别与 F0 c和ost 相F0对sin应。t
kx cx
mx cx kx F0eit
显含 t，非齐次微分方程
＝ ＋ 非齐次微分方程 通解
齐次微分方程 通解
而相位滞后激振力的简谐振动；
（2）稳态响应的振幅及相位差只取决于系统本身的物理性质
（m, k, c）和激振力的频率及力幅，而与系统进入运动的方
式（即初始条件）无关。
例题1： 建立如图所示系统的运动微分方程并求稳态响应。
x x1 Asin t
c
k
m
解：运动微分方程： mx cx k(x1 x) 0
02
sin
（实部和虚部分别相等）
振幅放大因子
A
02
F0
k
2
02 40
F0 k
1
B
(1 s2 )2 (2 s)2
(s)
1
(1 s2 )2 (2 s)2
相位差
tan
20 02 2
2 s
1 s2
(s) arctan 2 s
1 s2
振动微分方程： mx cx kx F0eit
设：x Xeit
c2 x0 / 0
x(t)
x1(t)
x2 (t)
x0
cos 0t
x0
0
sin
0t
Bs 1 s2
sin
0t
B 1 s2
sin
t
mx kx F0 cost 的全解：
因此：
x(t)
弹簧阻尼系统微分方程知乎
弹簧阻尼系统微分方程知乎弹簧阻尼系统微分方程是描述弹簧和阻尼器相互作用下系统运动规律的数学方程。
在弹簧阻尼系统中，弹簧负责恢复系统的位移，阻尼器则负责消耗系统的动能，使系统停止运动。
弹簧阻尼系统微分方程的推导和解析是研究力学系统动力学的重要内容，也是工程领域中设计和优化系统的基础。
弹簧阻尼系统的微分方程一般可以写为：\[m\frac{d^2x}{dt^2}+c\frac{dx}{dt}+kx=F(t)\]其中，\(m\)是系统的质量，\(c\)是阻尼系数，\(k\)是弹簧的劲度系数，\(x\)是系统的位移，\(F(t)\)是外力函数。
上述微分方程描述了弹簧阻尼系统在外力作用下的运动规律。
当系统受到外力作用时，弹簧和阻尼器将产生相应的位移和速度响应，微分方程描述了系统的加速度与外力的关系。
通过求解这个微分方程，可以得到系统的位移随时间的变化规律，进而分析系统的稳定性、共振现象等重要性质。
对于弹簧阻尼系统微分方程的解析，一般可以分为两种情况：自由振动和受迫振动。
自由振动是指系统在没有外力作用下的振动，此时\(F(t)=0\)，系统只受弹簧和阻尼器的作用。
受迫振动是指系统在外力作用下的振动，此时\(F(t)\neq0\)，系统的振动受到外力的影响。
对于自由振动的弹簧阻尼系统，可以通过解微分方程得到系统的固有频率和阻尼比，从而分析系统的振动特性。
而对于受迫振动的系统，可以通过傅立叶变换等方法，分析系统的频率响应和稳定性，进一步优化系统的设计参数，提高系统的性能。
总的来说，弹簧阻尼系统微分方程是描述系统动力学的重要工具，通过对系统的运动规律进行建模和分析，可以帮助工程师和科研人员更好地理解系统的行为，优化系统的设计，提高系统的性能和稳定性。
深入研究弹簧阻尼系统微分方程的推导和解析，对于工程领域的发展具有重要的意义，也为工程实践提供了理论支持。
阻尼振动的探究
阻尼振动的探究摘要：以弹簧振子的阻尼振动及RLC电路的阻尼振荡为例，探究了阻尼振动。
同时，以这两个阻尼振动系统为例分析了阻尼振动衰减时的特点。
关键词：阻尼振动阻尼系数衰减Research on damped vibrationHuangyihangAbstract:This article researches into damped vibration by the example of spring oscillator’s damped vibration and the example of RLC’s damped vibration. At the same time, this article researches the points of damped vibration’s attenuation by the two examples.Keyword:damped vibration damping coefficient attenuation简谐运动又叫做无阻尼自由振动。
但实际上，任何的振动系统都是会受到阻力作用的，这种实际振动系统的振动叫做阻尼振动。
在阻尼系统中，振动系统要不断地克服阻力做功，所以它的能量将不断地减少。
一定时间后回到平衡位置。
弹簧振子在有阻力情况下的振动就是阻尼振动。
分析安置在一个水平光滑表面的弹簧振子。
取弹簧处于自然长度时的平衡位置为坐标原点。
忽略空气等阻力，则弹簧振子只受到弹簧的弹力作用。
即由牛顿第二定律，可得此微分方程的通解为给定初始值，弹簧在t=0时，x=，,则此微分方程的解为弹簧振子在初始时刻，被拉离坐标原点距离，即弹簧被拉长(。
而后，弹簧由于弹簧拉力作用而返回原点，很容易就可以想到弹簧将作往复运动。
如方程所描述弹簧作简谐振动。
如果考虑弹簧振子运动时的阻力，情况将如何呢？由实验，可知运动物体的速度不太大时，介质对物体的阻力与速度成正比。
又阻力总与速度方向相反，所以阻力与速度有如下关系：为正比例常数。
结构力学-阻尼对振动的影响
r
T
1.5
4.189 s 1
r 1 2 4.191s 1
P 9.8103 k 196104 N / m A0 0.005
4 2 0 . 0355 196 10 2k 33220 N s/m c 2 m 4.189
当ξ<0.2，则ωr/ω≈1，则
yk 1 r ln 2 n yk n
yk ln 2 n yk n 1
y (t ) et a sin(r t )
T 2
r
2
1 2
阻尼对自振频率的影响：ωr是低阻尼体系的自振频率
r 1 2
y(t ) Cet
(2) 考虑ξ=1的情况:
( 2 1)
λ= －ω
初始 条件
y=(C1+C2t)e-ωt y = [y0(1+ωt)+υ0t] e-ωt
y0
y tg0 θ0
v0
当阻尼增大到ξ=1时，曲线具有衰减，但不具波动，这时的阻 尼常数为临界阻尼常数，用Cr表示。 (Critical Damp)
在ξ<1的低阻尼情况下，ωr恒小于ω，而且随ξ值的增 大而减小。通常ξ是一个小数。如果ξ<0.2，则 0.96<ωr/ω<1，即ωr与ω的值很相近。因此，在ξ<0.2的 情况下，阻尼对自振频率的影响可以忽略。
例、图示一单层建筑物的计算简图。屋盖系统和柱子的质量均集 中在横梁处共计为m ，加一水平力9.8kN，测得侧移A0=0.5cm， 然后突然卸载使结构发生水平自由振动。在测得周期T=1.5s 及一 个周期后的侧移A1=0.4cm。求结构的阻尼比ξ和阻尼系数c。 yk 1 1 0.5 ln ln 0.0335 m 2 y k 1 2 0.4 EI=∞ 9.8kN 2 2
有阻尼强迫振动微分方程及其解
解为：
q Asin(nt )
8
设 t = 0 时，q q0 , q q0 则可求得：
A
q02
q02
2 n
,
arctg
n q0
q0
或：
q C1cosn t C2 sinn t
C1，C2由初始条件决定为 C1 q0 , C2 q0 /n
q
q0
cos nt
q0
n
sin
nt
9
三、自由振动的特点：
令
n2
k m
,
n
c 2m
则 x2nxn2 x0
有阻尼自由振动微分方程的标准形式。
24
其通解分三种情况讨论：
1、小阻尼情形 (n n) c 2 mk
x Ae nt sin(d t )
d n2 n2 —有阻尼自由振动的圆频率
设 t 0 时, x x0 , x x0 , 则
A
x02
(
x0 nx0 )
的固有频率、激振力的频率及激振力的力幅有关。 31
(1) =0时
b0
h
2 n
H k
(2) n 时，振幅b随 增大而增大；当 n 时，b
(3) n 时，振动相位与激振力相位反相，相差 rad 。
b h
n2 2
b 随 增大而减小； 2n时 , bb0; 时b0
— 振幅比或称动力系数
20
Tm
ax
1 2
M
(
xm
ax)
2
1 2
M
2
(
x m a x R
)
2
1 2
m(
R R
r
xm
03-单自由度系统：阻尼自由振动
整理得：
2W 2 2 T1 T gAT 1 T
μ的物理意义是单位面积的阻尼系数。
23
第2章 单自由度系统--阻尼自由振动
24
第2章 单自由度系统--阻尼自由振动
25
第2章 单自由度系统--阻尼自由振动
例
习题课—单自由度系统阻尼简谐振动
解
26 Theory of Vibration with Applications
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--阻尼自由振动 第 2章 --阻尼自由振动 第 2章 单自由度系统 单自由度系统 引言
粘性阻尼－若物体以较大速度在空气或液体中运 动，阻尼与速度平方成正比。但当物体以低速度在粘 性介质中运动（包括两接触面之间有润滑剂时）可以 认为阻尼与速度成正比。
物体运动沿润滑表面的阻力与速度的关系
Fc cx
4 Theory of Vibration with Applications
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--阻尼自由振动 第 2章 --阻尼自由振动 第 2章 单自由度系统 单自由度系统 引言
• 振动系统的无阻尼振动是对实际问题的理论抽象。 如果现实世界没有阻止运动的话，整个世界将处在 无休止的运动中。客观实际是和谐的，有振动又有 阻尼，保证了我们生活在一个相对安静的世界里。 • 最常见的阻尼是
2 2
xe
nt
(C1e
n2 - p2 t
C2 e
n2 - p2 t
)
临界阻尼(n = p )情形 r1 r2 n
Theory of Vibration with Applications
x e nt (C1 C2 t )
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第2章
单自由度系统--阻尼自由振动 运动微分方程