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大学物理学上册:受迫振动及其特点

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:摩擦阻尼总是客观存在的,只能减小而不能完全消除它.所以实际的振动物体如果没有能量的不断补充,振动最后总要停止.为了获得稳定的振动,通常对振动系统作用一周期性的外力.物体在周期性外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动.这种周期性的外力称为驱动力.许多实际的振动属于受迫振动,例如,声波引起耳膜的振动、电机转动导致基座的振动等.为简单起见,假设驱动力有如下的形式式中F0 为驱动力的幅值,ωd 为驱动力的

大学物理学上册:受迫振动及其特点

摩擦阻尼总是客观存在的,只能减小而不能完全消除它.所以实际的振动物体如果没有能量的不断补充,振动最后总要停止.为了获得稳定的振动,通常对振动系统作用一周期性的外力.物体在周期性外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动.这种周期性的外力称为驱动力.许多实际的振动属于受迫振动,例如,声波引起耳膜的振动、电机转动导致基座的振动等.

为简单起见,假设驱动力有如下的形式

式中F0 为驱动力的幅值,ωd 为驱动力的角频率.物体在弹性力、阻力和驱动力的作用下,其运动方程为

仍令,则上式可写成

在阻尼较小的情况下,上述方程的解为

此解表示,在驱动力开始作用的阶段,系统的振动是非常复杂的(图5.18),可以看成两个振动合成的,其中一个振动由式(5.66)中的第一项表示,它是一个减幅振动;另一个振动由式(5.66)中的第二项表示,它是一个振幅不变的振动.经过一段时间之后,第一项分振动将减弱到可以忽略不计的程度,余下的就是受迫振动达到稳定状态后的等幅振动,其振动表式为

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应该指出,稳态时的受迫振动的表达式虽然和无阻尼自由振动的表达式相同,都是简谐振动,但它的实质已有所不同.首先,受迫振动的角频率不是振子的固有角频率,而是驱动力的角频率;其次,受迫振动的振幅和初相位不是决定于振子的初始状态,而是依赖于振子的性质、阻尼的大小和驱动力的特征.根据理论计算可得

图5.18 受迫振动的位移时间曲线

在稳态时,振动物体的速度

式中

从能量角度来看,在受迫振动中,振动物体因驱动力做功而获得能量(实际上在一个周期内驱动力有时做正功,有时做负功,但总效果还是做正功),同时又因阻尼作用而消耗能量.受迫振动开始时,驱动力所做的功往往大于阻尼消耗的能量,所以总的趋势是能量逐渐增大.由于阻尼力一般随速度的增大而增大,当振动加强时,因阻尼而消耗的能量也要增多.在稳态振动的情况下,一个周期内,外力所做的功恰好补偿因阻尼而消耗的能量,因此系统维持等幅振动.如果撤去驱动力,振动能量又将逐渐减小而成为减幅振动.

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