這個單元是SDOF簡諧激振FRF系列的第11篇,要來探討的主題是:甚麼是「力傳輸比」(force transmissibility)?和「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)有甚麼關係嗎?
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。
在先前單元#222,【SDOF簡諧激振FRF系列(9):頻率響應函數(FRF)有哪些型式?】,已經推導出「穩態位移響應」、「穩態速度響應」以及「穩態加速度響應」,整理如下:
1. 「穩態位移響應」:𝒙(𝒕)=𝑿𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇𝒕+𝝓),其中,𝑿=位移振幅 (m)。
2. 「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)。
3. 「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)。
根據「頻率響應函數」FRF的定義是:𝑯(𝒇)=「輸出」/「輸入」,當「輸入」都是「外力」,而「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,統整如下:
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」。
針對外力激振的SDOF系統,以上三種「頻率響應函數」FRF的表示式,統整如下:
1. Receptance「位移率」= 𝑯𝒙(𝒇) = 𝑿(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 𝟏 / [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)]。
2. Mobility「移動率」= 𝑯𝒗(𝒇) = 𝑽(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 𝒊𝝎 / [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)]。
3. Accelerance「加速率」= 𝑯𝒂(𝒇)= 𝑨(𝒇) / 𝑭(𝒇) = (−𝝎^𝟐) / [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)]。
其中,𝝎=𝟐𝝅𝒇,為外力的「激振頻率」,可以看出兩兩之間,相差了𝒊𝝎的倍數,因為複數 𝒊 的關係,就會有90度的相位角差,而(𝒊𝝎)^2等於(−𝝎^𝟐),則是相當於有180度相位角差。
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」,就看對哪一個「輸出」參數有興趣。如果,「輸入」都是「外力」,從實務上來看,就看是使用哪一種感測器(sensor)量測「輸出」參數,以得到對應的「頻率響應函數」FRF。
這個單元要探討的是:甚麼是「力傳輸比」(force
transmissibility)?
首先,參閱中間圖示,先來瞭解這個「外力激振」「單自由度系統」的「反作用力」,透過壁面的「自由體圖」(free body diagram),可以得到「反作用力」:𝒇𝒕=𝒌𝒙+𝒄𝒗,由於已知「穩態位移響應」以及「穩態速度響應」,所以可以推導出「反作用力穩態響應」:𝒇𝒕 (𝒕) = 𝒌𝒙(𝒕)+𝒄𝒗(𝒕) = 𝑭𝒕 𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇𝒕+𝝓𝒕)
(N),其中,𝑭𝒕
= 𝒌+𝒊(𝝎𝒄),𝑭𝒕為「反作用力振幅」。因此,可以定義「力傳輸比」(force transmissibility) = 「反作用力」 / 「外力」,得到如下表示式:
「力傳輸比」 =
「反作用力」 / 「外力」= 𝑻𝒇(𝒇) = 𝑭𝒕 (𝒇) / 𝑭(𝒇) = [𝒌+𝒊(𝝎𝒄)] / [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)]
其中,𝑻𝒇(𝒇) 因為是力除以力的關係,所以稱之為「力傳輸比」,也是一種「頻率響應函數」FRF。根據「力傳輸比」的定義,可推論:𝑻𝒇(𝒇) < 1,才會有「隔振」效果。以下會再討論說明。
以下的實際數值案例,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。
參閱圖示,對比了Receptance「位移率」以及「力傳輸比」(force transmissibility),兩個「頻率響應函數」FRF。因為兩個FRF都是複數,所以分別透過5種圖示,探討其現象與物理意義:
1. 在「振幅」(amplitude)圖:可以觀察到在激振頻率
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)。也就是當𝒇≈𝒇𝒏,會有「共振」,系統響應會最大。可觀察在
𝒇 =1
(Hz)時,所對應的「振幅值」,「位移率」𝑯𝒙(𝒇) = 0.15 (m/N),「力傳輸比」𝑻𝒇(𝒇) = 6.28 (N/N),其間的倍數關係是𝒌+𝒊(𝝎𝒄)。在𝒇 =0 (Hz),由FRF表示式,可以得到「位移率」𝑯𝒙(𝒇) = 1/ k,而「力傳輸比」𝑻𝒇(𝒇) = 1。
2. 在「相位角」(phase angle)圖:在
𝒇 =0
(Hz),兩個FRF所對應的相位角,都是0度。在激振頻率逐漸增大,穿越過「自然頻率」時,會有180度相位角的變化。同時,在𝒇=
𝒇𝒏時,其「相位角」會剛好是在各別FRF所對應變化180度相位角的中間值,都是
–90度。
3. 在「實數部」(real)圖:「位移率」𝑯𝒙(𝒇)和「力傳輸比」𝑻𝒇(𝒇),其「自然頻率」𝒇𝒏會出現在,通過「0點」的頻率位置。
4. 在「虛數部」(imaginary)圖:「位移率」𝑯𝒙(𝒇)和「力傳輸比」𝑻𝒇(𝒇),其「自然頻率」𝒇𝒏會出現在,有最大「峰值」的頻率位置。
5. 在「奈氏圖」(Nyquist plot),或稱為「極座標圖」(polar plot):水平軸是「實數部」、垂直軸是「虛數部」,兩個FRF的曲線圖,都會各自形成一個「圓圈」,所以也有稱之為circle plot。兩個FRF的曲線圖,激振頻率由小到大,都是順時針旋轉。在「位移率」𝑯𝒙(𝒇),「虛數部」最大值的頻率點,就是結構的「自然頻率」。在「力傳輸比」𝑻𝒇(𝒇),也是在「虛數部」最大值的頻率點,就是結構的「自然頻率」。
最後,我們來探討一下:為什麼【𝑻𝒇(𝒇) 要小於 1,才會有「隔振」效果】?
1. 由
𝑻𝒇(𝒇)的定義:「力傳輸比」 =
「反作用力」 / 「外力」,如果,𝑻𝒇(𝒇) = 1,也就是「反作用力」等於「外力」。所以,如果𝑻𝒇(𝒇) < 1,例如:𝑻𝒇(𝒇) = 0.1,那麼就是只有10%的外力,傳遞到壁面的「反作用力」,也可以說90%的力,被阻絕了,所以有定義:「隔振有效性」(effective of isolation) R = 1 − 𝑻𝒇(𝒇)。所以,「力傳輸比」為10%,即 𝑻𝒇(𝒇) = 0.1,則「隔振有效性」為90%,即R =0.9。
2. 甚麼條件下,𝑻𝒇(𝒇) < 1呢?參閱「力傳輸比」的「振幅」(amplitude)圖,可觀察:當𝒇
> √𝟐 𝒇𝒏,也就是 𝒇
> 1.414 𝒇𝒏 時,𝑻𝒇(𝒇) < 1,所以就會有隔振的效果。有關隔振的設計分析,我們再另闢單元討論。
綜合一下本單元的討論,為了瞭解甚麼是「力傳輸比」(force
transmissibility),必須:
1. 瞭解:傳遞到壁面的「反作用力」:𝒇𝒕=𝒌𝒙+𝒄𝒗。以及推導出「反作用力穩態響應」:𝒇𝒕(𝒕) = 𝒌𝒙(𝒕)+𝒄𝒗(𝒕) = 𝑭𝒕 𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇𝒕+𝝓𝒕)
(N),其中,𝑭𝒕
= 𝒌+𝒊(𝝎𝒄),𝑭𝒕為「反作用力振幅」。
2. 定義:「力傳輸比」(force
transmissibility) = 「反作用力」 / 「外力」。
3. 認知:「力傳輸比」必須小於 1,才會有「隔振」效果,也就是 𝑻𝒇(𝒇) < 1。
4. 知道:當 𝒇
> √𝟐 𝒇𝒏,也就是 𝒇
> 1.414 𝒇𝒏 時,𝑻𝒇(𝒇) < 1。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2021.07.09
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