Колебания вокруг нас

Иногда можно искусственно вводить трение; так, например, на автомобилях устанавливают демпферы колебаний. Существует много способов искусственного введения трения в систему. Вот некоторые из них:

1. Вязкое трение  в жидкости. Простым примером является гидравлический демпфер, который состоит из поршня, перемещающегося в цилиндре; трение возникает при перетекании жидкости (часто вместо жидкости используется воздух) в тонком зазоре между поршнем и стенкой цилиндра. В некоторых других устройствах используются лопасти, движущиеся в масле или силиконовой жидкости.

2. Материалы с высоким  уровнем рассеяния энергии.  В амортизирующих опорах часто используют резину; это отчасти связано с ее высокими демпфирующими характеристиками. Лопатки компрессоров газовых турбин иногда изготавливают из волокнистых полимерных материалов, обладающих значительным внутренним трением.

3. Демпфирующие покрытия  панелей. Существуют такие вещества, что если нанести их на поверхность металлической панели, то при ударе по панели вместо характерного для металлов звука слышен глухой стук.

4. Сухое трение,  возникающее при взаимном скольжении поверхностей в процессе вибрации. Этот способ используется, например, в некоторых компрессорах газовых турбин, где осуществлено шарнирное крепление лопаток к ротору.

5. Слоистые конструкции. Панели, состоящие из тонких металлических листов, разделенных тонким слоем вязкоупругого материала, обладают хорошими звукоизолирующими свойствами.

6. Пенопластовые или  резиновые прокладки. Яйцо или электрическую лампочку, тщательно упакованные в подходящий материал, можно без всякого риска бросать с большой высоты на твердый пол.

Таким образом, существует два  типа демпфирования: искусственно вводимое демпфирование и демпфирование, связанное с естественными силами трения. Если искусственно вводимое трение в некоторых случаях допускает  разумную теоретическую оценку, то естественное трение, как правило, не поддается расчету и должно определяться экспериментально.

Вибрации узлов  конструкций

Собственные формы и собственные частоты системы являются характеристиками ее общих свойств. Таким образом поменяв в системе даже незначительную деталь ее частоты и формы колебания также изменятся. Поэтому интерес представляют даже колебательные свойства отдельно рассматриваемых частей системы.

Рассмотрим, например, самолет, формы и частоты колебаний  которого можно установить с помощью  стендовых испытаний. Основной интерес представляют динамические характеристики самолета в воздухе, но испытания приходится проводить на земле. Поэтому необходимо обеспечить соответствующее опирание самолета, т.е. характеристики опор должны быть такими, чтобы не допустить существенного влияния установки на результаты испытаний. Данное требование выполняется, если самолет установлен на мягких пружинах. Значит самолет в воздухе, т. е. лишенный опор, можно рассматривать как часть системы, содержащей самолет и те опоры, которые имеются при резонансных испытаниях на земле.

Иногда чрезмерные резонансные  колебания можно ограничить посредством  дополнительных устройств, называемых "виброгасителями". Однако, теперь гасители колебаний применяют не так широко в настоящее время.

Прежде чем производить  какие-либо расчеты системы, необходимо четко определить систему, а также  сформулировать условия на границе  между системой и окружающей ее средой. В то время как формулировка граничных  условий проста для тела, совершающего колебания в пустоте, она может  оказаться в действительности трудной  для тел, совершающих колебания  в других средах, даже в воздухе.

Влияние колебаний  на человеческое тело

Во-первых, ясно, что человеческое тело в целом может выдерживать  весьма большие амплитуды перемещении, если изменения направления движения происходят не слишком часто. Было бы утомительно очень долго подниматься, а затем опускаться в лифте, но это было бы безболезненно. На этом основании можно сказать, что  амплитуда вибраций сама по себе не опасна. Из повседневного опыта известно, однако, что с увеличением частоты  проблема может стать более серьезной. Это может подтвердить каждый, кто подвержен морской болезни.

Когда океанский лайнер испытывает килевую качку, пассажиры первого  класса (которые находятся недалеко от середины корабля) испытывают лишь небольшие неудобства, поскольку  они совершают вертикальные колебания  малой амплитуды. Пассажиры второго  класса (находящиеся в носовой  части) совершают колебания с  той же частотой, но с большей  амплитудой; уже по одной этой причине  путешествие во втором классе может  быть менее комфортабельным, чем  в первом классе. Другими словами, при одинаковой частоте колебаний  человеческое тело "предпочитает" меньшие амплитуды. Кроме того восприимчивость человека к укачиванию может весьма существенно зависеть от атмосферных условий.

Чувствительность  человека к вибрациям зависит до некоторой  степени от положения тела и способа  воздействия вибраций на тело. Кроме того, при заданной амплитуде колебаний человеческое тело не обязательно предпочитает низкие частоты, как это должно было бы быть.  Существуют определенные области неприятных частот (эти области несколько отличаются друг от друга для разных лиц). Например, человек, сидящий в кресле, совершающем вертикальные колебания, остро реагирует на частоту около 5 Гц. Нарушение нормального состояния человека на этой частоте связано с интенсивными колебаниями плечевого пояса. Причина существования неприятных частот станет более понятной в дальнейшем; вкратце она объясняется тем, что некоторые части тела имеют сравнительно малое сопротивление внешнему возбуждению данной частоты.

К сожалению, систематическое  изучение всевозможных эффектов, оказываемых  вибрацией на человеческий организм, является очень трудоемким делом. Хотя биологическое действие вибраций на человека зависит от ряда факторов - направления и места приложения нагрузки, интенсивности и продолжительности  действия вибрации, наиболее важной характеристикой  является частота.

Заметим сразу, что колебания  в диапазоне частот приблизительно от 18 до 18000 Гц являются слышимыми.

Человеческое ухо, по существу, является замечательно топким прибором для распознавания колебаний (хотя некоторые его свойства нелегко  объяснить). Оно может, например, легко  отличить синусоидальные колебания  от колебаний той же частоты, но с  прямоугольной формой волны, - последние  воспринимаются как более резкие.

Необходимо, конечно, знать  не только возможности человеческого  организма, но и характеристики вибраций. Например, в самолете источниками  вибраций могут быть двигатели, механизмы, установленные на конструкции самолета, или атмосфера, в которой самолет  движется. Хотя никаких жестких правил установить здесь невозможно, некоторое  представление о том, что можно  ожидать, дает следующая таблица; известно, что все эти источники имеют  достаточную интенсивность, чтобы  признать неудобства пассажирам самолета. 

Поршневые двигатели и  выхлопы Турбореактивные двигатели Аэродинамический шум  при высоких скоростях Турбулентность и порывы ветра Вибрации, сопровождающиеся деформированием всей конструкции

от 20 до 10000 Гц от 60 до 40000 Гц от 150 до 40000 Гц от 0 до 5 Гц от 1 до 40 Гц

 

Реактивные и ракетные двигатели, применяемые в авиации, причиняют беспокойство людям во всем звуковом диапазоне частот.

Из приведенных выше замечаний  видно, что здесь невозможно подробно рассмотреть биологическое действие вибраций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изучение  динамики конструкций имеет большое  значение для понимания и оценки эксплуатационных характеристик любого изделия технического характера. Будь то   дело с печатными платами  или подвесными мостами, высокоскоростными печатающими устройствами или стартовыми установками ракет - динамические характеристики представляют собой основу непрерывной и удовлетворительной эксплуатации.

 

При экспериментальном исследовании динамических характеристик необходимо правильно учитывать внешние  факторы, действующие при эксплуатации систем. Однако точная имитация всех факторов при стендовых испытаниях практически  невозможна. Это обусловлено двумя  основными причинами. Первая – внешние  факторы и их сочетание являются случайными величинами, существенно  изменяющимися при эксплуатации. Вторая причина – техническая  невозможность создания испытательного стенда, позволяющего одновременно имитировать  всю совокупность механических и  климатических воздействий.

Вследствие этих причин возникает  необходимость в упрощении стендовых  испытаний, однако при этом необходимо максимально точно имитировать  все внешние факторы, существенно  влияющие на технические характеристики.

 

Большинство конструкций  совершают механические колебания. При эксплуатации все машины, транспортные средства и здания подвергаются воздействию  динамических сил, которые приводят к возникновению механических колебаний. Очень часто необходимо провести исследование механических колебаний  вследствие возникших проблем или  вследствие необходимости подгонки характеристик конструкции под  «стандартные» или контрольные  значения. Независимо от причин, необходимо получить каким-либо образом количественные данные о реакции конструкции  для того, чтобы можно было оценить  ее влияние на эксплуатационные характеристики и усталость материалов. Измерения и частотный анализ механических колебаний работающей конструкции могут быть выполнены с использованием методов анализа сигналов. После этого может быть проведена проверка соответствия частотного спектра механических колебаний заданным параметрам. Результат будет представлять произведение реакции конструкции и спектра неизвестной силы возбуждения. Он будет давать мало или не давать вообще информации о характеристиках самой конструкции.

 

Физические системы обычно характеризуются двумя классами колебаний – свободными и вынужденными.

Свободные колебания происходят в системе, находящейся под действием  сил, присущих самой системе, и когда  внешние силы отсутствуют. Под действием  начального возмущения система будет  колебаться на одной или нескольких своих собственных частотах, которые  зависят от свойств системы и  определяются распределением масс и  жесткостей. Результирующее движение представляет собой сумму главных  мод колебаний в некотором  соотношении. Таким образом, математическое исследование свободных колебаний  дает информацию о динамических свойствах  системы, используемых при вычислении характеристики системы при вынужденных  колебаниях.

 

Вынужденные колебания происходят в системе, находящейся под действием  внешних сил. Под действием возбуждающей силы система колеблется на частоте  возбуждения. При совпадении частоты  возбуждения с одной из собственных  частот возникает резонанс – явление, при котором амплитуда колебаний  возрастает до высоких уровней.

 

Определяемые экспериментальным  путем частотные характеристики механических конструкций указывают  на присутствие серий пиков. Отдельные  пики часто очень острые и четко  определенные при дискретных частотах, что указывает на резонансы, каждый из которых представляет собой характеристику системы с одной степенью свободы. Если в результате определения частотных характеристик с повышенным разрешением по частоте выявляются новые пики, то можно предполагать присутствие нескольких резонансов. Вследствие этого конструкция представляет собой как бы набор отдельных механических систем с одной степенью свободы. Это является основой анализа мод колебаний, с помощью которого может быть проведен анализ поведения конструкции путем определения и оценки всех резонансных частот или мод, имеющихся в характеристиках конструкции.

 

Другим подходом является метод анализа систем, при котором для измерения отношения реакции к замеряемой силе возбуждения может быть использован двухканальный анализатор, выполняющий быстрое преобразование Фурье. Определяемые частотные характеристики способствуют выделению спектров силы из результатов и описанию собственно свойств конструкции между точками замера. По набору замеренных в различных точках конструкции частотных характеристик можно начать строить картину ее динамического поведения.

 

Методы исследования динамических характеристик конструкций

Экспериментальный и теоретический метод

 

Рассмотрим два метода исследования: экспериментальный и  теоретический. В экспериментальном  методе проводятся натурные испытания  конструкции. В теоретическом методе моделируется система с использованием результатов натурных испытаний.

 

В экспериментальном  методе проводятся частотные испытания на специальном стенде. При всем многообразии испытательных работ можно выделить две взаимно дополняющие группы – физические испытания объектов и испытания с привлечением моделей.

 

Физические испытания  характеризуются использованием как  искусственно созданных условий  проведения испытаний, близких к  условиям эксплуатации, так и естественных условий функционирования объекта. Первые осуществляются с помощью  специальных методов и средств в лабораторных условиях (лабораторные испытания) или в составе испытательных стендов (стендовые испытания). Ко вторым относятся натурные испытания функциональных элементов, агрегатов, подсистем в составе объекта.