這個單元是SDOF簡諧激振FRF系列的第9篇,要來探討的主題是:「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)有哪些型式?
首先,快速回顧一下這個「外力激振」「單自由度系統」,參考圖示左上方,是實際結構的示意圖,一個質塊,懸吊在一個彈簧下面,彈簧的另一端是固定邊界,當質塊受到外力作用,質塊會有上下振盪的現象。
為了分析這個質塊-彈簧的「實際結構」(real structure),建構此系統「數學模型」(mathematical model),如示意圖。其中,
1.
「系統參數」(system parameters),就是:m、c、k,分別是質塊的「質量」(mass)、彈簧的「黏滯阻尼係數」(viscous damping coefficient)、彈簧的「彈簧常數」(spring constant)。
2.
「輸入」是f(t),為系統的外力,以及質塊本身的兩個「初始條件」(initial condition, IC),包括:「初始位移」(initial displacement) X0及「初始速度」(initial velocity) V0。
3.
「輸出」是x(t),為系統質塊的位移響應。
由系統的「數學模型」,可以推導出這個「單自由度系統」的「運動方程式」:ma+cv+kx=f(t)。是「二階的常微分方程式」,所以需要兩個「初始條件」:「初始位移」X0及「初始速度」V0。【備註:比較明確的數學方程式,請讀者參考圖示,在文字說明,受限於方程式編寫,分別以x、v、a,代表位移、速度、加速度。】
在解析「頻率響應函數」FRF,會定義系統的「輸入參數」,假設受到了「簡諧外力」激振,例如是正弦函數
𝒇(𝒕)=𝑭𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇𝒕),其中,𝑭 =「簡諧外力振幅」;𝒇=「簡諧外力」的「激振頻率」。
當這個正弦波的「簡諧外力」,作用在此「SDOF單自由度系統」,由先前單元:#208,【SDOF簡諧激振系列(2):為甚麼簡諧激振,會有簡諧響應?】,質塊的位移響應𝒙(𝒕),可以區別出,有「暫態響應」(transient state response),以及「穩態響應」(steady state response)的區間。
其中,有興趣的是「穩態位移響應」,也是「簡諧響應」,可以寫出位移響應方程式:𝒙(𝒕)=𝑿𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇𝒕+𝝓),其中,
1. 𝑿:是「穩態位移響應」的「位移振幅」。
2. 𝒇:是「穩態位移響應」的「響應頻率」,此頻率值就是「簡諧外力」的「激振頻率」。
3. 𝝓:是「穩態位移響應」的「相位角」(phase
angle),是「位移」𝒙(𝒕)和「外力」𝒇(𝒕)的「相位角」差。
特別有興趣的是「位移振幅」𝑿 和「相位角」𝝓。為了有效率的全盤了解「穩態位移響應」的特性,所以,定義了「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF),𝑯(𝒇):
1.
𝑯(𝒇) = 輸出/輸入。
2.
𝑯(𝒇) =
𝑿(𝒇)/𝑭(𝒇)。
3.
𝑯(𝒇) =「穩態位移振幅」/「外力振幅」。
這樣,可以快速知道𝑿(𝒇)和𝑭(𝒇)的關係。又,因為不同的「激振頻率」𝒇,會有不同的「穩態位移振幅」𝑿,所以,分別以𝑿(𝒇)和𝑭(𝒇)變數符號表示之。
這個單元,將更深入的探討不同型式的「頻率響應函數」FRF,首先,針對「單自由度系統」之 FRF:𝑯(𝒇) = 𝑿(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 𝟏
/ [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)],會和「系統參數」:m、c、k相關,也會隨著不同的「激振頻率」𝝎=𝟐𝝅𝒇,而會有不同的𝑯(𝒇)。
又,由FRF定義:𝑯(𝒇) = 𝑿(𝒇)/𝑭(𝒇),可以推導出來,𝑿(𝒇) = 𝑭(𝒇)
𝑯(𝒇)。也就是說,如果知道系統的m、c、k,就可以求得「頻率響應函數」𝑯(𝒇),當已知「簡諧外力」的「外力振幅」𝑭,以及其「激振頻率」𝒇,就可以透過上面的方程式,推算出「穩態位移響應」𝑿(𝒇),包括:「位移振幅」𝑿和「相位角」𝝓。
為了推導不同型式的「頻率響應函數」FRF,首先,由已知的「穩態位移響應」:𝒙(𝒕)=𝑿𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇𝒕+𝝓),對𝒙(𝒕)作微分,可得到「穩態速度響應」:𝑣(𝒕)=𝑿𝝎𝐜𝐨𝐬(𝝎𝒕+𝝓) =𝑽𝐜𝐨𝐬(𝝎𝒕+𝝓),其中,𝑽 =𝑿𝝎,𝑽=速度振幅 (m/s)。
再對𝑣(𝒕)作微分,可得到「穩態加速度響應」:𝑎(𝒕)=−𝑿𝝎^𝟐
𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕+𝝓) =𝑨𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕+𝝓),其中,𝑨
= −𝑿𝝎^𝟐,𝑨 =加速度振幅 (m/s^2)。
從𝒙(𝒕)、𝑣(𝒕)及𝑎(𝒕),的方程式,可以得知三者之間的相位(phase)關係:
1. 速度𝑣(𝒕)領先位移𝒙(𝒕),90度相位角。因為,cos函數,領先sin函數,90度相位角。
2. 加速度𝑎(𝒕)領先速度𝑣(𝒕),90度相位角。因為,-sin函數,領先cos函數,90度相位角。
3. 加速度𝑎(𝒕)領先位移𝒙(𝒕),180度相位角。因為,-sin函數,領先sin函數,180度相位角,或是正負值,就是180度相位角差。
接下來就來定義,不同的「頻率響應函數」FRF如下:
1. Receptance「位移率」:𝑯𝒙(𝒇) = 𝑿(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 位移振幅
/ 外力振幅。
2. Mobility「移動率」:𝑯𝒗(𝒇) = 𝑽(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 速度振幅
/ 外力振幅。
3. Accelerance「加速率」:𝑯𝒂(𝒇)
= 𝑨(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 加速度振幅
/ 外力振幅。
在此,列舉的實際數值案例,令「系統參數」:m = 1 (kg)、c =
1 (N/ m/s)、k = 39.48 (N/m),也就是m、c及k固定。由「系統參數」:m、c、k,可以推算得到「模態參數」:「自然頻率」𝒇𝒏 =1 (Hz),「阻尼比」𝝃 =0.0796。因為,0 < 𝝃 < 1,所以都是「次阻尼」狀態。
因為,這三個FRF,都是複數(complex number),參閱圖示,可以分別得到Receptance「位移率」、Mobility「移動率」、以及Accelerance「加速率」的「振幅」(amplitude)圖和「相位角」(phase angle)圖,其特徵討論如下:
1. 在「振幅」(amplitude)圖,可以觀察到在𝒇 =1 (Hz),都有一個峰值(peak),對應的就是此SDOF系統的「自然頻率」𝒇𝒏 =1 (Hz)。
2. 在「振幅」(amplitude)圖,在 𝒇 =1 (Hz) 所對應的「振幅值」,「位移率」𝑯𝒙(𝒇) = 0.15 (m/N),「移動率」𝑯𝒗(𝒇) = 1 ((m/s)/N),「加速率」𝑯𝒂(𝒇)
= 6.28
((m/s^2)/N),其間的倍數關係是𝝎=𝟐𝝅𝒇,因為,𝒇 =1 (Hz),所以,會有𝝎=𝟐𝝅=6.28的倍數關係。
3. 在「相位角」(phase angle)圖,在 𝒇 =0 (Hz) 三個FRF所對應的相位角,分別是0度、90度、180度,這就是前面所提到的:速度𝑣(𝒕)領先位移𝒙(𝒕),90度相位角;加速度𝑎(𝒕)領先速度𝑣(𝒕),90度相位角;加速度𝑎(𝒕)領先位移𝒙(𝒕),180度相位角。
4. 在「相位角」(phase angle)圖,當「激振頻率」𝒇,穿越過「自然頻率」𝒇𝒏時,三個FRF所對應的「相位角」,都會有180度的變化。同時,在𝒇= 𝒇𝒏時,其「相位角」剛好會是在各別FRF所對應變化180度相位角的中間值,在「位移率」𝑯𝒙(𝒇),是-90度,在「移動率」𝑯𝒗(𝒇),是0度,在「加速率」𝑯𝒂(𝒇),是90度。
最後,統整一下這個單元的討論,主要探討三種不同的「頻率響應函數」FRF型式:
1. Receptance「位移率」= 位移
/ 外力。
2. Mobility「移動率」= 速度
/ 外力。也有稱為Mechanical Mobility「機械移動率」。
3. Accelerance「加速率」= 加速度
/ 外力。
可以知道,「頻率響應函數」FRF是一種通稱的名詞,其定義是:𝑯(𝒇)=輸出/輸入,當輸入都是外力,輸出分別為:位移、速度、加速度時,其「頻率響應函數」FRF有其定義的名稱,以及不同的頻譜特徵。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2021.07.07
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