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 =𝟐√𝒎𝒌=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 √(𝟏−𝝃^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 和 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,就是從頻率域的頻率響應函數(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)的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=√(𝟏−𝟐𝝃^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 @ 𝒓≈𝟏。所以,|𝑯(𝑟)| 的峰值(peak),確實就是結構的「自然頻率」(natural frequency)。
所以,從頻率域的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=0.1,𝜼=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 √(𝟏−𝝃^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. 從頻率域的頻率響應函數(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
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