简谐振动的特点和定义.docVIP

简谐振动的特点和定义 【摘要】简谐振动是振动的墓础本文讨论了简谐振动的特点, 简谐报动的定义以及普通物理力学中振动与理论力学中的微振动之间的关系。 【关键词】简谐振动；单自由度线性振动；微振动 【Abstract】Simple harmonic oscillator is considered the grave of vibration is discussed in this paper, the characteristics of simple harmonic oscillator, the harmonic submitted to move and the common definition of physical and mechanical vibration and theoretical mechanics of micro vibration relations. 【Keywords】Simple harmonic oscillator, Single-freedom-linear; Micro vibration 简谐振动是最简单也是最基本的振动形式, 但它包含了振动的基本特征。一切复杂的振动根据傅里叶分析都可看成是由许多不同频率的简谐振动所组成。因此, 简谐振动是振动的基础, 学好简谐振动具有非常重要的意义。 在普通物理学（力学）教材中, 一般都是把振动系统看成‘完全弹性体”和项点”这两个模型所组成的弹簧振子, 运用胡克定律和质点力学的知识来寻求物体的振动规律。当弹簧形变量为零时, 振子处于稳定平衡位置, 当振子对这一平衡位置有一足够小的位移二时, 振子受到迫使它回到平衡位置的线性回复力： 其运动微分方程为： 式中, 称为圆颇率。方程是一个二阶常系数线性齐次微分方程, 其通解为： 这就是简谐振动的运动方程, 式中A为振幅, 为初相位。 以上的讨论清楚地表明了简谐振动具有以下几个特征:①物体在运动过程中存在着一个稳定平衡位置②物体偏离平衡位置时, 它受到一个指向平衡位置的线性回复力作用③物体的加速度与位移成正比而反向④物体的位移是时间t的正弦或余弦函数。这四个特征是密切联系的, 具有稳定平衡位置是物体作简谐振动的前提, 一旦偏离稳定平衡位置物体立即受到一个线性回复力的作用, 回复力与惯性的交互作用是产生简谐振动的条件, 物体的加速度与位移成正比而反向, 则是线性回复力的必然结果, 物体的位移表达式既是简谐振动微分方程的解, 又是简谐振动的运动学方程。 单自由度机械振动系统绝不是只有弹簧振子一种, 可以有多种形式的振动系统, 如单摆、复摆、扭摆等等振动系统的回复力也不一定是弹簧的弹性力, 如单摆中的回复力是重力的切向分力。还可以有比弹赞振子复杂得多的单自由度振动系统。但是, 我们会清楚看到, 所有单自由度机械振动系统的线性振动的运动方程, 都可化成公式一的形式因此, 我们对弹簧振子的讨论, 实际上可适用于一般的单自由度机械振动系统。 在常见的普通物理教科书中, 简谐振动通常有3种不同的定义: A.是用物体所受的弹性力来定义。即凡物体在与位移大小成正比, 方向与位移方向相反的力的作用下, 在平衡位置附近的往复运动, 称为简谐振动。 B.用运用微分方程来定义, 即凡是遵从微分程的运动称为简谐振动, 是由系统性质决定的常数。 C.用运动学方程来定义, 即物体离开平衡位置的位移x随时间作余弦或正弦变化的运动称为简谐振动。 前两种定义在机械振动范围内是完全等价的, 它们确切地定义了“简谐振动”这种独特的运动当我们把“简谐振动”这一运动模型推广到力学以外的其它领域时, 定义就显示出了它的优点, 例如, 由电感和电容组成的电路, 根据电磁规律, 电量口满足的微分方程是: 因此, 电量Q随时间作简谐振动对于这类运动, 因为不属于力学范畴, 也就不好用1式的弹性回复力来定义简谐振动, 因此, 从动力学来说, 用3式徽分方程来定义简谐振动, 十分确切便于推广, 适用于更大范围。 第3种定义, 着眼于运动特征。但是, 在随时间作余弦变化的强迫力作用下的稳定受迫振动规律, 也同样是“位移力x随时间作余弦变化” , 然而它不属于简谐振动, 如果采用这种定义, 为了避免混淆, 应该联系简谐振动的三个特征量----的确定方式, 连同4式一起作为简谐振动的完整定义。 在研究非重复性的运动时, 我们常常关心的是运动物体在某一时刻的速度、位移和加速度而在研究振动时, 我们所关心的不只是某一时刻的运动状态, 还特别注意一些能描绘运动重复性的特征, 如重复一次所豁要的时间, 振动物体所能达到的最大偏离等等。简谐振动表达式中是描述这些特征的个物理量。 1.圆频率. 从运动学看, 振动系统的特征是运动具有周期性, 当振动经过一周期T后, 振动