闻邦椿-振动利用工程的应用及发展课件

振动利用工程的应用与发展东北大学东北大学东北大学东北大学 闻邦椿闻邦椿闻邦椿闻邦椿振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/271 振动利用工程的应用及发展 一、振动利用工程的发展现状一、振动利用工程的发展现状 二、振动的利用二、振动的利用 (1)(1)振动利用工程学的内涵及应用概况振动利用工程学的内涵及应用概况 (2)(2)振动与波的利用技术曾引发多次重大革命或变革振动与波的利用技术曾引发多次重大革命或变革 (3)(3)振动与波的利用技术多数是以非线性动力学为基础振动与波的利用技术多数是以非线性动力学为基础 (4)(4)线性与近似于线性振动的利用线性与近似于线性振动的利用 (5)(5)非线性振动系统的利用非线性振动系统的利用 (6)(6)波及波能的利用波及波能的利用 (7)(7)电、磁、光振荡器的利用电、磁、光振荡器的利用 (8)(8)自然界与人类社会中振动规律的利用自然界与人类社会中振动规律的利用 三三、展望、展望振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/272 一一.振动利用工程的发展现状振动利用工程的发展现状1.1.振动的利用振动的利用(1)(1)振动利用工程学的内涵振动利用工程学的内涵(2)(2)振动利用工程的应用概况振动利用工程的应用概况(3)(3)振动与波的利用技术的新成果曾振动与波的利用技术的新成果曾 引发多次重大革命或变革引发多次重大革命或变革(4)(4)振动与波的利用技术多数是以非线性振动与波的利用技术多数是以非线性 动力学为基础动力学为基础(5)(5)非线性振动系统的利用举例非线性振动系统的利用举例振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/273 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/274 有用振动与有害振动有用振动与有害振动 有用的振动：有用的振动：人体器官的振动；人体器官的振动；振动机器的振动；振动机器的振动；钟表中石英振荡器的振动；钟表中石英振荡器的振动；医疗机械中波动（如超声波）的利用医疗机械中波动（如超声波）的利用 有害的振动有害的振动:地震会使生命财产造成重大损失；地震会使生命财产造成重大损失；机器和建筑物的振动会使它缩短寿命，甚至出现损坏；机器和建筑物的振动会使它缩短寿命，甚至出现损坏；运载工具的振动使乘客感觉到不舒适；运载工具的振动使乘客感觉到不舒适；工业噪声会污染环境工业噪声会污染环境振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/275 二、振动的利用 (1)(1)振动利用工程学的内涵及应用概况振动利用工程学的内涵及应用概况 (2)(2)振动与波的利用技术曾引发多次重大革命或变革振动与波的利用技术曾引发多次重大革命或变革 (3)(3)振动与波的利用技术多数是以非线振动与波的利用技术多数是以非线 性动力学为基础性动力学为基础 (4)(4)线性及近似于线性振动的利用线性及近似于线性振动的利用 (5)(5)非线性振动系统的利用非线性振动系统的利用 (6)(6)波及波能的利用波及波能的利用 (7)(7)电、磁、光振荡器的利用电、磁、光振荡器的利用 (8)(8)自然界与人类社会中振动规律的利用自然界与人类社会中振动规律的利用振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/276 图图1 振动与波的利用的分类振动与波的利用的分类机械系统中机械系统中振动的利用振动的利用电气系统及电气系统及控制系统中控制系统中振动的利用振动的利用波动及波波动及波能的利用能的利用电、磁、光电、磁、光振荡器的工振荡器的工业应用业应用自然界中振自然界中振动规律的利动规律的利用用非线性振动的利用用非线性振动的利用用 非线性波动的利用非线性波动的利用 线性振动的利用线性振动的利用 线性波动的利用线性波动的利用社会经济领社会经济领域中振动规域中振动规律的利用律的利用 (1)振动利用工程学的内涵及应用概况振动利用工程学的内涵及应用概况 1）内涵内涵振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/277 振振动动破破拱拱振振动动布布料料振振动动给给料料振振动动输输送送振振动动提提升升振振动动排排队队振振动动混混合合振振动动装装料料振振动动压压实实振振动动料料斗斗输送给料类输送给料类筛分选别类筛分选别类冷却干燥类冷却干燥类成型密实类成型密实类破碎粉磨类破碎粉磨类振振动动分分类类振振动动离离心心脱脱水水振振动动冷冷却却振振动动选选别别振振动动整整形形振振动动筛筛分分振振动动重重力力脱脱水水振振动动干干燥燥振振动动成成型型共共振振筛筛分分振振动动密密实实振振动动冷冷冻冻振振动动中中碎碎振振动动光光饰饰振振动动球球磨磨振振动动破破碎碎振振动动碎碎冰冰 2)振动利用工程应用概况（振动利用工程应用概况（a）振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/278 桩桩基基检检测测振振动动测测量量仪仪振振动动勘勘探探振振动动平平衡衡振振动动测测量量振振动动诊诊断断振振动动监监察察附附着着振振捣捣插插入入振振捣捣振振动动捣捣固固振振动动沉沉桩桩振振动动摊摊铺铺振振动动压压路路振振动动夯夯土土振振动动装装载载振振动动犁犁耙耙振振动动铲铲斗斗振振动动熨熨平平振振动动拔拔桩桩振振动动锤锤锻锻振振动动钻钻探探振振动动碎碎石石振振动动凿凿岩岩振振动动清清理理振振动动疏疏通通振振动动清清砂砂振振动动落落砂砂清理疏通类清理疏通类振捣打拔类振捣打拔类犁铲装载类犁铲装载类钻探凿岩类钻探凿岩类测量诊断类测量诊断类 2)振动利用工程应用概况（振动利用工程应用概况（b）振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/279 声声波波制制冷冷机机械械式式钟钟表表振振动动电电推推振振动动捆捆梆梆振振动动采采集集振振动动时时效效石石英英钟钟表表振振动动同同步步混混沌沌混混合合弗弗洛洛里里特特摆摆摩摩擦擦摆摆混混沌沌保保密密次次声声破破碎碎声声检检测测技技术术噪噪声声控控制制器器海海浪浪发发电电振振波波采采油油潮潮汐汐发发电电交交流流发发电电感感应应加加热热交交流流输输电电变变频频器器管管弦弦乐乐器器振振动动健健身身振振动动按按摩摩振振动动床床振动计时类振动计时类振动健身类振动健身类其他用途类其他用途类发电输电类发电输电类声测声控类声测声控类电电子子计计时时器器 2)振动利用工程应用概况（振动利用工程应用概况（c）振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2710 太太哈哈兹兹波波检检测测试试B射射线线波波的的利利用用光光纤纤通通信信紫紫外外消消毒毒工工业业CT声声级级计计电电波波发发射射微微波波加加热热红红外外监监察察远远红红外外检检测测红红外外成成像像电电子子振振荡荡医医用用CTX光光机机核核磁磁共共振振B超超超声应用类超声应用类检测医疗类检测医疗类通讯传播类通讯传播类激光应用类激光应用类特殊应用类特殊应用类激激光光振振荡荡激激光光切切割割激激光光测测距距磁磁致致伸伸缩缩超超声声检检测测超超声声油油水水混混合合超超声声电电机机超超声声减减阻阻超超声声切切削削超超声声碎碎石石种种子子超超声声处处理理 2）振动利用工程应用概况（振动利用工程应用概况（d）振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2711(2)振动与波利用技术曾引发多次重大革 命或变革 a a）理论上的创新：理论上的创新：1 1）同步理论的利用）同步理论的利用 2 2）共振的利用）共振的利用 3 3）非线性振动的利用）非线性振动的利用 4 4）自激振动的利用）自激振动的利用 5 5）波及波能的利用）波及波能的利用 6)6)混沌的利用混沌的利用 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2712 b b）技术上的发明：）技术上的发明：1 1）可控整流电磁激振技术）可控整流电磁激振技术 2 2）惯性振捣技术）惯性振捣技术 2 2）振动压实技术）振动压实技术 4 4）振动诊断技术）振动诊断技术 5 5）振动检桩技术）振动检桩技术 6 6）超声挤塑技术（蒋氏奖）超声挤塑技术（蒋氏奖）7 7）彩超）彩超(B B超）超）8 8）超声电机）超声电机 9 9）振荡器在通信中的应用）振荡器在通信中的应用 10 10）振荡器在计时装置中的应用）振荡器在计时装置中的应用 11 11）红外监察技术）红外监察技术 12 12）光导纤维技术）光导纤维技术 13 13）激光技术）激光技术 14 14）医用）医用CTCT与工业与工业CTCT 15 15）核磁共振）核磁共振(诺贝尔奖，英国曼斯菲尔德和美国劳特布尔诺贝尔奖，英国曼斯菲尔德和美国劳特布尔)振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2713 非线性振动问题的求解方法：非线性振动问题的求解方法：a a）解析方法）解析方法 ：1 1）精确解法）精确解法 2 2）近似解法：等价线性化法、里兹）近似解法：等价线性化法、里兹-迦辽金法、迭代法、谐波平衡法、迦辽金法、迭代法、谐波平衡法、传统小参数法、多尺度法、平均法、渐近法（传统小参数法、多尺度法、平均法、渐近法（KBMKBM法）法）b b）数值方法：）数值方法：龙德龙德科太法、打靶法、威尔逊科太法、打靶法、威尔逊 法、纽马克法、纽马克 法法 c c）图解方法：）图解方法：等倾线法、林奈作图法、频闪法、点映射法胞映射法。等倾线法、林奈作图法、频闪法、点映射法胞映射法。d d）实验方法）实验方法(3)振动与波的利用技术多数是以非线性振动振动与波的利用技术多数是以非线性振动 理论与方法为基础理论与方法为基础振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2714 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展(4)线性振动与近似于线性振动波的利用振动与近似于线性振动波的利用2024/7/2715 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展按动力学特性分：按动力学特性分：1 1 平面运动平面运动惯性式惯性式非共振型振动机械非共振型振动机械2 2 空间运动单轴空间运动单轴惯性式惯性式非共振型振动机械非共振型振动机械3 3 空间运动双轴空间运动双轴惯性式惯性式非共振型振动机械非共振型振动机械4 4多轴多轴惯性式惯性式非共振型振动机械非共振型振动机械5 5惯性式惯性式近共振型振动机械近共振型振动机械6 6 单质体单质体弹性连杆式弹性连杆式近共振型振动机械近共振型振动机械7 7 双质体双质体弹性连杆式弹性连杆式近共振型振动机械近共振型振动机械8 8 多质体多质体弹性连杆式弹性连杆式近共振型振动机械近共振型振动机械9 9 电磁式电磁式近共振型振动机械近共振型振动机械10 10 非谐波电磁力的非谐波电磁力的电磁式电磁式近共振型振动机械近共振型振动机械2024/7/2716 (5)非线性振动系统的利用非线性振动系统的利用 需要研究和解决的需要研究和解决的理论理论问题和问题和实际实际问题：问题：1 1）光滑非线性振动的利用光滑非线性振动的利用 2 2）分段线性非线性振动的利用）分段线性非线性振动的利用 3 3）含滞回非线性作用力的振动的利用含滞回非线性作用力的振动的利用 4 4）自激振动的利用自激振动的利用 5 5）带有冲击的非线性振动的利用带有冲击的非线性振动的利用 6 6）频率俘获原理的利用频率俘获原理的利用 7 7）慢变参数过程的利用慢变参数过程的利用 8 8）分叉解的利用分叉解的利用 9 9）混沌运动的利用混沌运动的利用振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2717 1 1）光滑非线性振动系统）光滑非线性振动系统 (a)软式光滑非线性振动系软式光滑非线性振动系 (b)硬式光滑非线性振动系统硬式光滑非线性振动系统图图1 光滑非线性振动系统光滑非线性振动系统 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2718 2 2）分段线性非线性振动系统）分段线性非线性振动系统l图图2 惯性式共振筛示意图惯性式共振筛示意图 图图3 非线性的共振曲线非线性的共振曲线振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2719 3 3）滞回非线系统滞回非线系统 图4 最简单的平行四边形的滞回模型 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2720 4 4）自激振动系统自激振动系统 图图5 气动冲击器的工作原理图气动冲击器的工作原理图 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2721 5 5）带冲击的非线性振动系统带冲击的非线性振动系统 图图6 蛙式夯土机机构示意图蛙式夯土机机构示意图 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2722 6 6）频率俘获原理频率俘获原理 (a)a)工作原理工作原理 (b)b)力学模型力学模型 图图7 自同步振动机的工作原理图与力学模型自同步振动机的工作原理图与力学模型振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2723 7 7）慢变参数系统慢变参数系统 图图8 8 不同慢变速度系数不同慢变速度系数 k kd d 时三维谱图时三维谱图 a)a)k kd d=0 b)=0 b)k kd d=5 c)=5 c)k kd d=10 d)=10 d)k kd d=15 e)=15 e)k kd d=20 f)=20 f)k kd d=25=25 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2724 8 8）分叉分叉 研研究究非非线线性性系系统统分分叉叉解解，目目前前已已引引起起科科学学技技术术工工作作者者普普遍遍重重视视和和广广泛泛注注意意。在在非非线线性性方方程程式式的的分分叉叉解解中中有有一一些些可可以以被被利利用用,而而有有一一些些不不可可能能加加以以利利用用。因因此此,研研究究分分叉叉解解具具有有工工程程意意义义。例例如如,在在振振动动输输送送机机中中物物料料的的运运动动会会出出现现多多种种形形式式的的分分叉叉解解,等等周周期期跳跳动动、2 2倍倍周周期期跳跳动动、3 3倍倍周周期期跳跳动动、n n倍倍周周期期跳跳动动和和非非周周期期跳跳动动等等,从从这这些些分分叉叉解解选选择择最最为为理理想想或或者者说说工工艺艺指指标标和和其其他他综综合合评评价价指指标标最最佳佳的的运运动动形形式式,即即最最佳的分叉解佳的分叉解,仍然是有价值的研究课题。仍然是有价值的研究课题。例例如如振振动动输输送送机机及及蛙蛙式式夯夯土土机机通通常常采采用用的的是是周周期期运运动动，而而对对于于可可能能出现的出现的n(n=2,3,4)n(n=2,3,4)倍周期运动几乎不予采用。倍周期运动几乎不予采用。除此以外，除此以外，分岔还在许多领域有着广泛的应用。分岔还在许多领域有着广泛的应用。振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2725 9)9)混沌运动混沌运动 利利用用冲冲击击消消振振器器振振动动空空穴穴中中的的钢钢球球的的混混沌沌运运动动来来消消除除镗镗床床镗镗杆杆的的振振动动;在在振振动动混混料料机机中中利利用用多多种种物物料料的的混混沌沌运运动动来来加加速速物物料料的的混混合合;再再如如有有人人曾曾设设法法研研究究一一种种作作混混沌沌运运动动的的振振动动筛筛。所所有有这这些些企企图图利利用用混混沌沌来来完完成成某某一一工工艺艺过过程程的的设设想想,最最根根本本的的问问题题是是要要看看该该种种设设备备的的工工艺艺指指标标及及其其他他评评价价机机器器性性能能的的综综合合指指标标是是否否优优于于同同一一种种用用途途的的机机器器,如如果果综综合合指指标标优优于于后后者者,那那一一种种利利用用混混沌沌的的机机器器的的研研究究是是成成功功的的,否否则则再再好好的的设设想想也是无济于事的。也是无济于事的。目目前前混混沌沌在在通通讯讯工工程程保保密密系系统统中中已已得得到到了了广广泛泛的的应应用用，而而且且可可获获得得良好的效果。良好的效果。此此外外,由由于于一一些些非非线线性性振振动动系系统统在在工工作作中中会会出出现现有有害害的的不不稳稳定定振振动动,在在这这种种情情况况下下,设设法法使使这这种种不不稳稳定定的的振振动动过过渡渡到到较较之之有有利利的的混混沌沌运运动动,这这自自然然也也是是利利用用混混沌沌运运动动一一种种可可开开发发的的途途径径。但但是是否否还还有有比比混混沌沌运运动动更更为有效的其他措施为有效的其他措施,这仍然是一个值得研究的问题。这仍然是一个值得研究的问题。振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2726 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2727 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2728 （6 6）波及）波及波能的利用波能的利用 在自然界中在自然界中,除振动外除振动外,各种形式的波存在各种形式的波存在 于各个领域于各个领域。例如例如,水水 波波（海潮和海浪发电）（海潮和海浪发电）应力波应力波（桩的检测、振动采油）（桩的检测、振动采油）声声 波波（声发射技术）（声发射技术）超声波超声波（超声破碎、超声焊接、超声电机）（超声破碎、超声焊接、超声电机）红外波红外波（红外监察）（红外监察）光光 波波（激光技术、光导纤维）（激光技术、光导纤维）紫外波紫外波（紫外医疗）（紫外医疗）射线波射线波（X X射线等）射线等）振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2729 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展 （7 7）振荡器）振荡器的科学及工程应用的科学及工程应用2024/7/2730 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展（8 8）自然界及人类社会中的振动规律的）自然界及人类社会中的振动规律的利用利用1）自然界中的振动规律的利用）自然界中的振动规律的利用 雨水的周期现象；雨水的周期现象；潮汐的利用；潮汐的利用；树木的年轮等。树木的年轮等。2024/7/2731 振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2）社会经济领域中振动规律的利用）社会经济领域中振动规律的利用 经经济济学学家家可可以以根根据据国国内内外外的的经经济济与与社社会会因因素素推推断断某某一一社社会会或或国国家家经经济济增增长长或或衰衰退退情情况况,即即经经济济发发展展过过程程中中的的振振动动规规律律,进进而而可可提提出出应应采采取取有有效效措措施施,以减少由于某种原因给国家经济带来的损失。以减少由于某种原因给国家经济带来的损失。人人们们可可以以根根据据外外部部及及内内部部影影响响因因素素来来推推测测某某一一种股票的涨跌种股票的涨跌,即掌握股票涨跌过程的振动规律。即掌握股票涨跌过程的振动规律。经经济济危危机机与与金金融融危危机机的的发发生生,也也是是振振动动现现象象的的一一种种表表现现形形式式,延延长长经经济济与与金金融融的的高高增增长长周周期期以以及及缩缩短短经经济济危危机机与与金金融融危危机机延延续续时时间间,是是处处理理这这种种振振动现象的有效措施之一动现象的有效措施之一2024/7/2732 3）生物工程及生命科学中振动规律的利用）生物工程及生命科学中振动规律的利用 从生态学的角度来看从生态学的角度来看,人类繁殖过程中的速度时高时人类繁殖过程中的速度时高时低低,这种振动现象也可以用相应的振动理论加以描述这种振动现象也可以用相应的振动理论加以描述,在在现今情况下适当减少人口的增长速度是对这种振动规律现今情况下适当减少人口的增长速度是对这种振动规律的有效利用。的有效利用。人体的许多器官都处在不断之中，人造心脏等都是人体的许多器官都处在不断之中，人造心脏等都是振动在生命科学中的具体应用。振动在生命科学中的具体应用。振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2733 三三.展望展望 1 1、在研究振动技术实际应用的基础上、在研究振动技术实际应用的基础上,深入开展深入开展振动工振动工程的基础理论与工作机理的研究程的基础理论与工作机理的研究,如加强非线性振动与非如加强非线性振动与非线性波动理论线性波动理论,非线性振动的稳定性以及非线性振动系统非线性振动的稳定性以及非线性振动系统的分叉与混沌的分叉与混沌,研究分形理论与突变论在工程中应用等。研究分形理论与突变论在工程中应用等。2 2、应该、应该大力开展振动工程实际应用的研究与开发工作大力开展振动工程实际应用的研究与开发工作,扩大振动技术的应用领域与范围扩大振动技术的应用领域与范围,将振动利用与控制技术将振动利用与控制技术广泛应用于各个领域和各种工艺过程。广泛应用于各个领域和各种工艺过程。3 3、特别要、特别要加强振动技术与信息技术加强振动技术与信息技术,即多煤体技术、集即多煤体技术、集成电路技术、光导纤维技术、网络技术和人工智能技术的成电路技术、光导纤维技术、网络技术和人工智能技术的结合结合,使振动工程应用的理论与技术成为一种以智力为依使振动工程应用的理论与技术成为一种以智力为依托的高新技术。托的高新技术。振动利用工程的应用与发展振动利用工程的应用与发展2024/7/2734