這個單元的主題,「相同自然頻率,不同阻尼比,SDOF系統之自由振動響應有甚麼差異?」,其中,「SDOF系統」是指「外力激振」(force excitation) 的「單自由度系統」(single degree-of-freedom, SDOF, system)。「自由振動」是f(t)=0,也就是沒有外力作用下的系統響應。
每個「SDOF系統」都會有「自然頻率」𝒇𝒏
以及「阻尼比」ξ,稱為「模態參數」。本單元將探討相同「自然頻率」時,而有不同的「阻尼比」,此系統響應的「頻譜」會有甚麼特徵?
首先,回顧一下這個「外力激振」「單自由度系統」,參考圖示左上方,是此系統「數學模型」(mathematical model)示意圖。其中,
1.
「系統參數」(system parameters),就是:m、c、k,分別是質塊的「質量」、彈簧的「黏滯阻尼係數」、彈簧的「彈簧常數」。
2.
「輸入」是f(t),為系統的外力,以及質塊本身的「初始位移」X0及「初始速度」V0。
3.
「輸出」是x(t),為系統質塊的位移響應。
若是對此「外力激振」「單自由度系統」,進行「理論模態分析」,可以得到兩個「模態參數」,在此「單自由度系統」的「模態參數」為:
1.
「自然頻率」,ωn=2πfn=(k/m)^0.5,
2.
「阻尼比」,ξ=c/Cc。其中,c是「黏滯阻尼係數」,Cc=2*(mk)^0.5=2mωn,是「臨界黏滯阻尼係數」。
所以,由「系統參數」:m、c、k,就可以求得「自然頻率」fn以及「阻尼比」ξ。
在f(t)=0,也就是沒有外力作用下,稱為「自由振動」,在「次阻尼」狀態:0<ξ<1,其系統位移響應,可寫成:x(t)=Xe^(-σt) cos(2πfn t-φ),各個參數的表示式,可參閱圖示。圖示右上方,是對應此方程式的「單自由度系統」之自由振動位移響應x(t) 示意圖。
本單元要針對x(t) 進行「FFT頻譜分析」,可以得到「傅立業頻譜」𝑿(𝒇)。以下為所設定的輸入參數:f(t)=0,X0= 1 m及V0=0 m/s。
在此,令系統的「自然頻率」都是 𝒇𝒏
= 200 Hz,而「阻尼比」分別是ξ=0,ξ=0.001,ξ=0.005,參閱圖示下方,是三種狀態的圖示,可以分別觀察x(t)及𝑿(𝒇)的響應特徵,探討如下:
1. 時間域響應x(t):「自然頻率」相同,「阻尼比」ξ=0,沒有衰減現象,觀看影片,可以聽到聲音是持續的。隨著「阻尼比」增大,「對數衰減」的效應,也比較大,因為「衰減率」𝝈=𝝃𝝎𝒏=𝝃(2𝝅𝒇𝒏)。觀看影片,可以聽到聲音,「阻尼比」增大,聲音也快速的消失。
2. 「傅立業頻譜」𝑿(𝒇),「振幅值」:在𝒇𝒏 = 200 Hz「自然頻率」處,會出現一個「峰值」(peak)。其「峰值」對應的「振幅值」,ξ=0,如預期,X=1,因為是純「簡諧波」。隨著「阻尼比」增大,「振幅值」會減小。當「阻尼比」增大,「自然頻率」處「峰值」對應的「振幅值」,會減小。
3. 「傅立業頻譜」𝑿(𝒇),「相位角」:ξ=0,如預期,「相位角」為0°,因為是單純的「餘弦波」。當有「阻尼比」時,在穿越「自然頻率」處,會有180°的相位角變化。當「阻尼比」越大,「相位角」曲線,會比較大的折彎效應。
綜合一下本單元的討論重點:
1. 以「外力激振」的「單自由度系統」為例,其系統的「自然頻率」,和質塊的「質量」m、彈簧的「彈簧常數」k相關。在此,固定系統的「自然頻率」,而變化不同的「阻尼比」。
2. 相同「自然頻率」,不同「阻尼比」,單自由度系統之「自由振動響應」,在時間域會有「對數衰減」的效應。「阻尼比」越大,其「對數衰減」的效應越大。因為,「衰減率」𝝈=𝝃𝝎𝒏,和「阻尼比」成正比。
3. 「自由振動響應」的「傅立業頻譜」𝑿(𝒇)「振幅值」,在fn「自然頻率」處,會出現一個「峰值」(peak)。隨著「阻尼比」增大,其「峰值」的「振幅值」會減小。
4. 「自由振動響應」的「傅立業頻譜」𝑿(𝒇)「相位角」,在fn「自然頻率」處,其「相位角」為0°,同時,在穿越「自然頻率」處,會有180°的「相位角」變化。
所以,實務上,如果取得結構振動信號的頻譜,要判斷是否有「自然頻率」的方式:
1. 在「頻譜」的「振幅值」有「峰值」的位置,可以判斷是潛在的「自然頻率」。
2. 同時,也可以由有180°的「相位角」變化的位置,可以觀察判斷是否有系統的「自然頻率」。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2020.11.12
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