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共振的基本知識及實踐中的運用
 日期:2022/1/24 14:47:11    來源:

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人們對共振的最初印象,來源于一個歷史故事。在拿破侖軍隊入侵西班牙時,一支法國小分隊踢著整齊的正步經(jīng)過一座鐵鏈懸橋,沒想到大橋忽然倒塌,致使多人死亡。后人猜測這次事故發(fā)生的主要原因就是“共振”。

那么,共振到底是什么?為什么它的威力這么大?

 



什么是共振

一個物體或者一個系統(tǒng),在沒有外力影響下的情況下,會傾向于某個頻率的振動,這個頻率就是“ 固有頻率”,而當兩個物體的固有頻率相同或者相近時,它們的振動幅度就會疊加,即產(chǎn)生增幅作用。以聲波擊碎玻璃杯的實驗為例,由于聲音的頻率恰好與玻璃杯的固有頻率重合,就會迫使玻璃杯劇烈振動,最終破碎。這當中能量累積的原理就像我們小時候玩的蕩秋千,每次蕩回來到最高點時,輕輕推一下,雖然力氣不大,但是積累幾個頻率周期,就可以讓秋千蕩得很高。由此可見共振的威力不容小覷。

 

物理學(xué)上,共振指物體發(fā)生振動后,由于其本身的構(gòu)成、大小、形狀等物理特性,會逐漸固定在某一頻率上振動,這個頻率叫該物體的固有頻率。當人們從外界給這個物體一個驅(qū)動力時,物體的振動頻率等于驅(qū)動力的頻率,而與固有頻率無關(guān)。但是如果驅(qū)動力的頻率與該物體的固有頻率正好相同,則物體的振幅達到最大,這種現(xiàn)象稱為共振。

 

也可以表述為:振動體在周期性的外力作用下,當外力的頻率和振動體固有頻率很接近或者相等時,振動的幅度就會急劇增大。固有頻率可以理解為物體做自由振動時,其位移隨時間按正弦或余弦規(guī)律變化。例如一個單擺,在單位時間內(nèi)周期變化的次數(shù),就是他的固有頻率。固有頻率與初始條件無關(guān),而僅與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)(如質(zhì)量、形狀、材質(zhì)等)。

 

通俗地說,一個物體發(fā)生振動引起其他物體的振動,在共振頻率下,很小的周期振動就可以產(chǎn)生很大的振動幅度。

 

針對振動篩或者兆豐公司生產(chǎn)的其他周期性運動產(chǎn)品,在市場上因為共振出現(xiàn)損壞,造成篩體局部開裂的現(xiàn)象,可以解釋為:固定振動篩的鋼架有自身的固有頻率,振動篩運時,對鋼架產(chǎn)生激振力。每一個工程的鋼架的固有頻率不同,如果振動篩運行產(chǎn)生的激振力頻率與鋼架的固有頻率接近時,鋼架連同振動篩的振動幅度就會急劇增大,對鋼架、設(shè)備,均產(chǎn)生嚴重的損壞。

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共振的普遍意義

 

 

 

 

 在機械共振中,常見的原因有直接作用的交變力、支撐或地基的振動、旋轉(zhuǎn)件的不平衡慣性力等。共振時,激勵輸入機械系統(tǒng)的能量最大,系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的振型稱為位移共振。此外還有在不同頻率下發(fā)生的速度共振和加速度共振。

 

共振不僅在物理學(xué)上運用頻率非常高,而且,也可以說是一種宇宙間最普遍的和最頻繁的自然現(xiàn)象之一,在某種程度上甚至可以這么說,是共振產(chǎn)生了宇宙和世界萬物,沒有共振就沒有世界。共振現(xiàn)象在生活中也被廣泛應(yīng)用,蕩秋千暫且不論,我們每天看的電視,上的網(wǎng)絡(luò),甚至是我們眼睛看到的一切事物,都是根據(jù)共振原理而接受信號的。

 

一般來說,一個系統(tǒng)(不管是力學(xué)的、熱學(xué)的還是電子的)有多個共振頻率,在這些頻率上振動比較容易,在其它頻率上振動比較困難。假如引起振動的頻率比較復(fù)雜的話(比如是一個沖擊或者是一個寬頻振動),一個系統(tǒng)一般會“ 挑出” 其共振頻率隨此頻率振動,事實上一個系統(tǒng)會將其它頻率過濾掉。

 

振蕩強度是振幅的平方。物理學(xué)家一般稱這個公式為洛倫茲分布,它在許多有關(guān)共振的物理系統(tǒng)中出現(xiàn)。也是一個與振蕩器的阻尼有關(guān)的系數(shù)。阻尼高的系統(tǒng)一般來說有比較寬的共振頻率帶,共振頻率帶也稱為帶寬。

 

共振時的激勵頻率稱為共振頻率,近似等于機械系統(tǒng)的固有頻率。對于單自由度系統(tǒng),共振頻率只有一個,當對單自由度線性系統(tǒng)作頻率掃描激勵試驗時,其幅頻上出現(xiàn)一個共振峰。對于多自由度線性系統(tǒng),有多個共振頻率,激勵試驗時相應(yīng)出現(xiàn)多個共振峰。對于非線性系統(tǒng),共振區(qū)出現(xiàn)振幅跳躍現(xiàn)象,共振峰發(fā)生明顯變形,并可能出現(xiàn)超諧波共振和次諧波共振。共振時激勵輸入系統(tǒng)的功同阻尼所耗散的功相平衡,共振峰的形狀與阻尼密切相關(guān)。

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共振的危害和作用

 

 

 


 一般情況下,共振是有害的,它會引起機械和結(jié)構(gòu)很大的變形和動應(yīng)力,甚至造成破壞性事故,工程史上不乏實例。

機床運轉(zhuǎn)時,運動部分總會有某種不對稱性,從而對機床的其他部件施加周期性作用力引起這些部件的受迫振動,當這種作用力的頻

 

率與機床的固有頻率接近或相等時,會發(fā)生共振,從而影響加工精度,加大機械鋼鐵的疲勞破壞,加大機械的損害力度。

 

機械共振的主要危害有:

1)產(chǎn)生噪音 ;

2)周期性疲勞,降低設(shè)備的強度,容易損壞 ;

3)浪費能源,消耗無用的功去產(chǎn)生振動篩。

 

另一方面,共振狀態(tài)包含有機械系統(tǒng)的固有頻率、最大響應(yīng)、阻尼和振型等信息。在振動測試中常人為地再現(xiàn)共振狀態(tài),進行機械的振動試驗和動態(tài)分析。利用共振原理的振動機械,可用較小的功率完成某些工藝過程,如共振篩等。

 

共振也被巧妙地利用在生活中的方方面面,神奇的地震儀、彈奏的弦樂器,收聽的電臺節(jié)目、使用的微波爐等等都離不開共振的原理。

 

共振也在各行各業(yè)發(fā)揮著積極作用,古代戰(zhàn)爭時期,人們靠陶土罐的回聲來判斷敵軍的人馬距離和多少,現(xiàn)代靠高頻電磁波加熱食物,各種信號的傳輸,固定聲波加快血液流動等。

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預(yù)防和應(yīng)用

防止共振措施有:改進機械結(jié)構(gòu)或改變直接作用力,使機械固有頻率改變;采用減震裝置;啟動或停機時快速通過共振區(qū)。

 

機械共振的預(yù)防方法包括:

1)振動源與支撐件之前加緩沖減震材料或裝置;

2)從振動源處理,當有減速機、傳送帶、傳送齒輪時,通過改變傳動比等,可以將振動頻率改變,從而與固有頻率錯開;

3) 降低固有頻率,對固定支撐件進行加強或者改變布局結(jié)構(gòu), 從而與振動頻率錯開。

 

針對我們公司生產(chǎn)的往復(fù)振動設(shè)備,預(yù)防共振的方法具體包括:

 

改進結(jié)構(gòu):例如,常見的振動篩或回轉(zhuǎn)篩設(shè)備支撐鋼架很結(jié)實,還是震動大,加斜撐、立柱后鋼架震動減小,就是通過改變鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率的方法;

減震裝置:機動車輛加減震裝置可通過減緩受力,通過降低車身運動頻率,避免因共振所形成的破壞。類似的原理運用于振動設(shè)備,可以改變橡膠彈簧的彈性模量,或者在機架與鋼架之間加緩沖裝置,以吸收能量;

快速通過共振區(qū):往復(fù)振動或回轉(zhuǎn)類設(shè)備啟停時的游動就是共振引起的,會對零部件產(chǎn)生一定的破壞。通過通過增加變頻器等裝置,使篩體的運動快速通過共振區(qū)。

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