《振動噪音產學技術聯盟》阻尼效應(damping effect)對自然頻率(natural frequency)有影響嗎?

這個單元要來探討的主題是:「阻尼效應(damping effect)對「自然頻率(natural frequency)有影響嗎?

 

要探討這個主題,就先切入主題中的「阻尼效應(damping effect),常見且有實務應用的「阻尼模型(damping model),有兩種:

 

1.      黏滯阻尼模型(viscous damping model)。讀者可參閱:#390甚麼是黏滯阻尼(viscous damping)?黏滯阻尼比(viscous damping ratio)】。

2.      結構阻尼模型(structural damping model),也可稱為「遲滯阻尼模型(hysteretic damping model)。讀者可參閱:#391,【甚麼是結構阻尼(structural damping)?散失因子_損耗因數(loss factor)】。

 

針對「黏滯阻尼模型(viscous damping model),參閱圖片左邊圖示,重點摘述如下:

 

1.      參閱圖示的數學模型(mathematical model),系統參數:「質量𝒎、「黏滯阻尼係數𝒄、「彈簧常數𝒌。受到「外力𝒇(𝒕)作用,質塊會有「位移𝒙(𝒕)的響應。這是個單自由度系統(SDOF system),其物理域(physical domain)運動方程式,可參閱圖片,等號左邊,依序是慣性力(inertia force)、阻尼力(damping force)、彈簧力(spring force)。等號右邊,則是「外力(external force) 𝒇(𝒕)

2.      黏滯阻尼(viscous damper)的假設:「黏滯阻尼力(viscous damping force)𝑭𝒅=𝒄𝒙 ̇ (N)。也就是「黏滯阻尼力」,是「黏滯阻尼係數𝒄 和油壓缸移動的速度 𝒙 ̇,的乘積,都和「黏滯阻尼力」成正比。

3.      系統的「模態參數(modal parameter),有兩個:(1) 𝝎𝒏無阻尼自然頻率(undamped natural frequency),其定義:𝝎𝒏=(𝒌/𝒎) (rad/s)(2) 𝝃黏滯阻尼比(viscous damping ratio),其定義:𝝃=𝒄/C𝒄。其中,C𝒄 =𝟐𝒎𝒌=𝟐𝒎 𝝎𝒏

 

針對「結構阻尼模型(structural damping model),參閱圖片左邊圖示,重點摘述如下:

 

1.      參閱圖示的數學模型(mathematical model),系統參數:「質量𝒎、「結構阻尼係數𝒉、「彈簧常數𝒌。受到「外力𝒇(𝒕)作用,質塊會有「位移𝒙(𝒕)的響應。這是個單自由度系統(SDOF system),其物理域(physical domain)運動方程式,可參閱圖片,等號左邊,依序是慣性力(inertia force)、彈簧力(spring force)、阻尼力(damping force)。等號右邊,則是「外力(external force) 𝒇(𝒕)

2.      結構阻尼(structural damping)的假設:「阻尼力(damping force)𝑭𝒅=𝒊𝒉𝒙 (N)。也就是「阻尼力」,是「結構阻尼係數𝒉 和油壓缸移動的位移 𝒊𝒙 ,的乘積。要注意的是:𝒊 =(−𝟏),複數(complex number),因為,有𝒊 =(−𝟏)的效應,某種程度也是和速度響應有關連性。

3.      系統的「模態參數(modal parameter),有兩個:(1) 𝝎𝒏無阻尼自然頻率(undamped natural frequency),其定義:𝝎𝒏=(𝒌/𝒎) (rad/s)(2) 𝜼散失因子」、「損耗因數(loss factor),其定義:𝜼=𝒉/𝒌

 

其次,看主題的另一個關鍵詞:「自然頻率(natural frequency),以SDOF單自由度系統來說,有兩個重要名詞:

 

1.      無阻尼自然頻率(undamped natural frequency)𝝎𝒏 =(𝒌/𝒎) (rad/s)

2.      阻尼自然頻率(damped natural frequency)𝝎𝒅 = 𝝎𝒏 (𝟏𝝃^𝟐 )。須瞭解,只有在「次阻尼(under damped)狀態:0 < 𝝃 < 1。才會有 𝝎𝒅 的效應。如圖示的具衰減效應之單頻率時間波形,其振盪週期,理論上是和 𝝎𝒅 相關。

 

已知,一般典型的鋼鐵材料,其 𝝃阻尼比(damping ratio),大約是:𝝃 ≈ 0.01~0.05。如果是如橡膠的高阻尼材料,大約是:𝝃 ≈ 0.1

 

將比較大的值 𝝃 ≈ 0.1,帶入推算 𝝎𝒅,可以發現:𝝎𝒅 𝝎𝒏,兩者幾乎是相等。所以,圖示時間波形的振盪週期對應的頻率,也是 𝝎𝒅 𝝎𝒏 =(𝒌/𝒎)

 

因此,雖然有 𝝎𝒅 𝝎𝒏 之別,但是,在實務上,可以忽略此差異,所以,一般只會慣稱:「自然頻率(natural frequency)。所以,從時間域的響應來看,「阻尼效應(damping effect)對「自然頻率(natural frequency)是沒有影響的。

 

另外的角度,就是從頻率域頻率響應函數(frequency response function, FRF) = 𝑯(𝑟)來看,圖片右上呈現在不同 𝝃阻尼比(damping ratio)、以及不同 𝜼散失因子(loss factor),「黏滯阻尼模型(viscous damping model)以及「結構阻尼模型(structural damping model)FRF之振幅 |𝑯(𝑟)| 比較,討論如下:

 

1.      實務上,都認定在 |𝑯(𝑟)| 的峰值(peak),就是結構的「自然頻率(natural frequency)

2.      如圖示,在「結構阻尼模型(structural damping model)Peak @ 𝒓=𝟏,其中,𝒓為頻率比,定義:𝒓=𝝎/𝝎𝒏。所以,|𝑯(𝑟)| 的峰值(peak),確實就是結構的「自然頻率(natural frequency)

3.      如圖示,在,「黏滯阻尼模型(viscous damping model)Peak @ 𝒓=(𝟏𝟐𝝃^𝟐 ),似乎,就不是 𝒓=𝟏。不過,如前述,因為實務上的 𝝃阻尼比(damping ratio)都很小,以 𝝃 ≈ 0.1為例,仍然是:Peak @ 𝒓𝟏。所以,|𝑯(𝑟)| 的峰值(peak),確實就是結構的「自然頻率(natural frequency)

 

所以,從頻率域FRF來看,「阻尼效應(damping effect)對「自然頻率(natural frequency)是沒有影響的。

 

在此,再回顧一下 𝝃阻尼比(damping ratio)以及 𝜼散失因子(loss factor)之間的重要關係:𝜼 = 𝟐 𝝃。參閱圖片右邊中間圖示,可知:在 𝝃=0.1𝜼=0.2,也就是 𝜼 = 𝟐 𝝃:兩個阻尼模型的FRF曲線,幾乎重合,代表系統的響應特性幾乎相同。

 

所以,在低「阻尼效應(damping effect),「黏滯阻尼模型(viscous damping model)和「結構阻尼模型(structural damping model),兩者的物理現象是相似的。因此,實務上,會認定 𝜼 = 𝟐 𝝃 是合理的推論。

 

這個單元在討論:「阻尼效應(damping effect)對「自然頻率(natural frequency)有影響嗎?

 

1.      對「黏滯阻尼模型(viscous damping model):「阻尼效應(damping effect)對「自然頻率(natural frequency)有些微影響,但是,阻尼比 𝝃 < 0.1 時,因為,𝝎𝒅 𝝎𝒏,所以,實務上,沒有影響。

2.      對「結構阻尼模型(structural damping model):「阻尼效應(damping effect)對「自然頻率(natural frequency),也沒有影響。

 

綜合這個單元的討論,總結如下:

 

1.      常見且有實務應用的「阻尼模型(damping model),有兩種:(1) 黏滯阻尼模型(viscous damping model)(2)結構阻尼模型(structural damping model),也可稱為「遲滯阻尼模型(hysteretic damping model)

2.      最常見的阻尼特性,是「次阻尼(under damped)狀態:0 < 𝝃 < 1。就會有具衰減效應之單頻率時間波形,其振盪週期,理論上是和 𝝎𝒅 = 𝝎𝒏 (𝟏𝝃^𝟐 ) 相關。

3.      而,實務上,材料的 𝝃阻尼比(damping ratio),相當小。如鋼鐵材料,大約是:𝝃 ≈ 0.01~0.05。如高阻尼的橡膠材料,大約是:𝝃 ≈ 0.1。可以發現:𝝎𝒅 𝝎𝒏,兩者幾乎是相等。所以,從時間域的時間波形之振盪週期對應的頻率來說,也是 𝝎𝒅 𝝎𝒏 =(𝒌/𝒎)。所以,「阻尼效應(damping effect)對「自然頻率(natural frequency)是沒有影響的。

4.      頻率域頻率響應函數(frequency response function, FRF) = 𝑯(𝑟)來看,由於實務應用的材料 𝝃阻尼比(damping ratio),相當小,所以,FRF =|𝑯(𝑟)| 的峰值(peak),確實就是結構的「自然頻率(natural frequency),不受到阻尼的影響。

5.      結論:不論是「黏滯阻尼模型(viscous damping model)或是「結構阻尼模型(structural damping model),「阻尼效應(damping effect)的大小不同,對「自然頻率(natural frequency)是沒有影響的。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2024.10.09

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