机械振动习题集与答案

1－1 阐明下列概念，必要时可用插图。

         (a)  振动；     (b)  周期振动和周期；

         (c)  简谐振动。振幅、频率和相位角。

1－2 一简谐运动，振幅为 0.20 cm，周期为 0.15 s，求最大的速度和加速度。

1－3 一加速度计指示结构谐振在 82 Hz 时具有最大加速度 50 g，求其振动的振幅。

1－4 一简谐振动频率为 10 Hz，最大速度为 4.57 m/s，求其振幅、周期和最大加速度。

1－5 证明两个同频率但不同相位角的简谐运动的合成仍是同频率的简谐运动。即：

      Acos  n t + Bcos ( n t +  ) = Ccos ( n t +  ' )，并讨论  ＝0、 /2 和   三种特例。

1－6 一台面以一定频率作垂直正弦运动，如要求台面上的物体保持与台面接触，则台面的最大振幅可有多大？

1－7 计算两简谐运动 x1 = X1 cos   t 和 x2 = X2 cos (  +   ) t 之和。其中   <<  。如发生拍的现象，求其振幅和拍频。

1－8 将下列复数写成指数Ae i    形式：

      (a) 1 + i    (b)  2     (c) 3 / ( - i )       (d) 5 i       (e) 3 / ( - i ) 2    

      (f) ( + i ) (3 + 4 i )      (g) ( - i ) (3 - 4 i )        (h)   ( 2 i ) 2 + 3 i + 8  

2－1 钢结构桌子的周期  ＝0.4 s，今在桌子上放 W = 30 N 的重物，如图2－1所示。已知周期的变化   ＝0.1 s。求：( a ) 放重物后桌子的周期；( b )桌子的质量和刚度。

2－2 如图2－2所示，长度为 L、质量为 m 的均质刚性杆由两根刚度为 k 的弹簧系住，求杆绕O点微幅振动的微分方程。

2－3 如图2－3所示，质量为 m、半径为 r 的圆柱体，可沿水平面作纯滚动，它的圆心O用刚度为 k 的弹簧相连，求系统的振动微分方程。

          图2－1                    图2－2                   图2－3   

2－4 如图2－4所示，质量为 m、半径为 R 的圆柱体，可沿水平面作纯滚动，与圆心O距离为 a 处用两根刚度为 k 的弹簧相连，求系统作微振动的微分方程。

2－5 求图2－5所示弹簧－质量－滑轮系统的振动微分方程。

                     图2－4                              图2－5

2－6 图2－6所示系统垂直放置，L2杆处于铅垂位置时系统静平衡，求系统作微振动的微分方程。

2－7 求图2－7所示系统的振动微分方程。

2－8 试用能量法确定图2－8所示系统的振动微分方程。(假定 m 2  > m 1，图示位置是系统的静平衡位置。)

           图2－6                         图2－7                 图2－8

2－9 试确定图2－9所示弹簧系统的等效刚度。

2－10 求跨度为 L 的均匀简支梁在离支承点 L 3 处的等效刚度系数。

2－11 求图2－11所示系统对于广义坐标 x 的等效刚度。

2－12 一质量为 m、长度为 L 的均匀刚性杆，在距左端O为 n L 处设一支承点，如图2－12所示。求杆对O点的等效质量。

    图2－9                   图2－11                          图2－12

2－13 如图2－13所示，悬臂梁长度为L，弯曲刚度为EI

2－14 图2－14是固定滑车力学模型。起吊物品质量为 m，滑轮绕中心O的转动惯量为J0，假定绳索与滑轮间无滑动，求系统的振动微分方程。

2－15 用视察法建立图2－15所示链式系统的振动微分方程。

2－16 如图2－16所示，绳索上有两个质量 m1 和 m2 ( m1 = 2 m2 )，各段绳索中的张力均为T ，用柔度法建立系统作微振动的微分方程。

         图2－13            图2－14         图2－15          图2－16

2－17 如图2－17所示，系统中 k1 = k2 = k3 = k，m1 = m2 = m，r1 = r2 = r ，J1 = J2 = J。求系统的振动微分方程。

2－18 图2－18为行车载重小车运动的力学模型，小车质量 m1，受到两根刚度为 k 弹簧的约束，悬挂物品质量为 m2，悬挂长度为 L，摆角   很小，求系统的振动微分方程。

          图2－17                      图2－18                 图3－1

3－1 如图3－1所示，杆 a 与弹簧 k1 和 k2 相连，弹簧 k3 置于杆 a 的，杆 b 与弹簧 k3 和 k4 相连，质量 m 置于杆 b 的。设杆 a 和杆 b 为质量和转动惯矩可忽略的刚性杆，并能在图示平面内自由移动和转动。求质量 m 上、下振动的固有频率。

3－2 如图3－2所示，一薄长板条被弯成半圆形，在水平面上摇摆。用能量法求它摇摆的周期。

3－3 如图3－3所示，一长度为 L、质量为 m 的均匀刚性杆铰接在O点，并以弹簧和粘性阻尼器支承。求：(a) 系统作微振动的微分方程；(b) 系统的无阻尼固有频率；(c) 系统的临界阻尼。

3－4 系统参数和几何尺寸如图3－4所示，刚性杆质量可忽略。求：(a) 系统作微振动的微分方程；(b) 临界阻尼系数；(c) 有阻尼固有频率。

3－5 如图3－5所示，质量为 m1的重物悬挂在刚度为 k 的弹簧上并处于静平衡位置，质量为 m2的重物从高度为 h 处自由降落到 m1 上而无弹跳，求系统的运动规律。

  图3－2          图3－3                       图3－4                  图3－5

3－6 弹簧－质量－粘性阻尼器系统中，质量 m = 10  kg·s2/m，弹簧刚度 k = 1000 kg/m，初始条件为 x0 = 0.01 m, = 0。求：系统的阻尼比分别为  ＝0、0.2和1.0三种情况下系统对初始条件的响应，并给出概略简图。

图3－7 

3－7 图3－7所示带有库仑阻尼的系统中，质量 m = 9 kg，弹簧刚度 k = 7 kN/m，摩擦系数   = 0.15，初始条件是。        求：(a)  位移振幅每周衰减；       (b)  最大速度；(c)  速度振幅每周衰减；(d)  物体 m 停止的位置。

3－8 对只有库仑阻尼的弹簧－质量系统，用能量观点证明：对于自由振动，每周期振幅衰减为4F/k。( F是摩擦力 )

3－9 求图3－9所示系统的固有频率和主振型。( 杆为刚性，不计质量。)

3－10 选图3－10所示均质杆的质心C点向下移动的位移 x 及杆顺时针方向转角  为广义坐标，求系统的固有圆频率和主振型。

              图3－9                                    图3－10

3－11 图3-11所示扭转振动系统中， k1 = k2 = k，J1 = 2 J2 = 2 J。 (a)  求系统的固有频率和主振型；(b)  设： = 1 rad， = 2 rad，，求系统对初始条件的响应。

3－12 求图3-10所示系统的振型矩阵 [u]、正则化振型矩阵和主坐标。

3－13 求图3－13所示系统的振型矩阵 [u]、正则化振型矩阵和主坐标。

3－14 设图3-14所示系统中， 轴的抗弯刚度为 EI，它的惯性矩不计，圆盘的转动惯量 J = mR 2/4，R = L/4，静平衡时轴在水平位置。求系统的固有频率。

          图3－11                    图3－13                   图3－14

3－15 用 Rayleigh 法和 Dunkerley 公式估算图2－16所示系统中质点在铅垂平面中作垂直于绳索微振动时的基频，并与精确解相比较。

4－1 如图4－1所示，一质量为 m 的油缸与刚度为 k 的弹簧相连，通过阻尼系数为 c 的粘性阻尼器以运动规律 y = A sin   t 的活塞给予激励，求油缸运动的振幅以及它相对于活塞的相位。

4－2 试导出图4－2所示系统的振动微分方程，并求系统的稳态响应。

4－3 求图4－3所示弹簧－质量系统在库仑阻尼和简谐激励力 F 0 sin   t 作用下的振幅。在什么条件下运动能继续？

          图4－1                      图4－2                 图4－3

4－4 一重物悬挂在刚度 k = 3 kN/m 的弹簧下，测得系统振动的准周期为 1 s，系统阻尼比为 0.2，当外力F = 20 cos 3t (N) 作用于系统上时，求系统稳态振动的振幅和相位。

4－5 带结构阻尼的单自由度系统，若刚度用复数形式 k = k0 e i 2   表示。求系统在简谐激励下的响应。

4－6 具有粘性阻尼的弹簧－质量系统在简谐力作用下作强迫振动。求加速度幅值达到最大值时的频率比、放大因子和Q因子。

4－7 具有粘性阻尼的弹簧－质量系统在简谐力作用下作强迫振动。求速度幅值达到最大值时的频率比、放大因子和Q因子。

4－8 具有粘性阻尼的弹簧－质量系统在简谐力作用下作强迫振动。求位移幅值达到最大值时的频率比、放大因子和Q因子。

4－9 如图4－9所示，弹性支承的车辆沿高低不平的道路运行。试求出车辆振幅与运行速度v之间的关系，并确定最不利的运行速度。

4－10 图4－10所示系统中，集中质量 m = 20 kg，弹簧刚度 k = 3.5 kN/m，阻尼器的粘性阻尼系数为 c = 0.2 kN   s /m，凸轮的转速为 60 rpm，行程为 0.01 m。试求系统的稳态响应 x (t)。

4－11 如图4－11所示，一个弹簧－质量系统从倾斜角为30 的光滑斜面下滑。求弹簧从开始接触挡板到脱开挡板的时间。

            图4－9                  图4－10                    图4－11

4－12 一弹簧－质量系统，从t = 0时，突加一个F 0力，以后该力保持不变。试用Duhamel积分求系统的响应，并概略图示之。（图4－12）

4－13 一弹簧－质量系统，从t = 0开始作用一不变的F 0力，作用时间为t0 (图4－13)。求系统在t   t0和 t   t0两种情况下的响应，并找出 t   t0时最大位移与 t0 / τ的关系。如果 t0与系统自振周期 τ 相比很小，最大位移为多少? 请与脉冲响应函数比较。

4－14 一单自由度无阻尼弹簧－质量系统，受到图4－14所示力的激励，请用Duhamel积分求系统在 t < t1 和 t > t1两种情况下的响应，并概略图示之。

4－15 求弹簧－质量系统在图4－15所示激励下的响应。

    图4－12             图4－13            图4－14               图4－15

4－16 对弹簧－质量系统，从t = 0开始施加按直线变化的力，即 f (t) = a t ( a = const )。请用Duhamel积分求系统的响应，并概略图示之。

4－17 试用拉普拉斯变换方法解题4－12。

4－18 试用拉普拉斯变换方法解题4－13。

4－19 求图4－19所示系统的稳态响应。

4－20 转动惯量为J的飞轮通过四个刚度为k的弹簧与转动惯量为Jd并能在轴上自由转动的扭转减振器相联，见图4－20。试建立系统作扭转振动的微分方程。若在飞轮上作用一简谐变化的扭矩T sin   t，求：(a)系统的稳态响应；(b)飞轮不动时J d的固有频率；(c)J d / J 的比值，使联接减振器后系统的固有频率为激振频率  的 1.2 倍。

4－21 求图4－21所示系统的稳态响应。

 4－19                     图4－20                     图4－21

5－1 具有粘性阻尼的弹簧－质量系统，使质量偏离平衡位置然后释放。如果每一循环振幅减小 5  ，那么系统所具有的等效粘性阻尼系数占临界阻尼系数的百分之几？

5－2 一振动系统具有下列参数：质量 m = 17 5 kg，弹簧刚度 k = 70.0 N/cm，粘性阻尼系数 c = 0.70 N s/cm。求：(a)  阻尼比   ；(b)  有阻尼固有频率；(c)  对数衰减率；(d)  任意二相临振幅比值。

5－3 某单自由度系统中，等效质量 m = 1 kg, 等效 k = 5 kN/m, 在振动 5 周后振幅降为初始振幅的25 。求系统的等效粘性阻尼系数 c。

5－4 带粘性阻尼的单自由度系统，等效质量 m = 5 kg，等效刚度 k = 10 kN/m，其任意两相邻振幅比为1   0.98， 求： a   系统的有阻尼固有频率； b   对数衰减率； c   阻尼系数 c；(d)   阻尼比  ．

5－5 机器质量为 453.4 kg，安装时使支承弹簧产生的静变形为 5.08 mm，若机器的旋转失衡为 0.2308  kg   m。求：(a)  在 1200 rpm 时传给地面的力；(b)  在同一速度下的动振幅(假定阻尼可以忽略)。

5－6 如果题5－5的机器安装在质量为1136 kg的大混凝土基础上，增加基础下面弹簧的刚度使弹簧静变形为5.08 mm，则动振幅将是多少？

5－7 质量为 113 kg的精密仪器通过橡皮衬垫装在基础上，基础受到频率为 20 Hz、振幅为 15.24 cm/s2 加速度激励，设橡皮衬垫具有如下参数：k = 2802 N/cm，  = 0.10，问：传给精密仪器的加速度是多少？

5－8 图5－8所示的惯性激振器用来测定一重180 N结构振动特性。当激振器的转速为 900 rpm 时，闪光测频仪显示激振器的偏心质量在正上方，而结构正好通过静平衡位置向上移动，此时振幅为0.01 m，若每个激振器的偏心质量矩为 0.01 kg   m (共2个)，求：(a)  结构的固有频率；(b)  结构的阻尼比；(c)  当转速为1200 rpm 时的振幅。

5－9 如图5－9所示，机器重 2500 kN，弹簧刚度 k = 800 kN/m，阻尼比   = 0.1，干扰力频率与发动机转速相等。试问：(a)在多大转速下，传递给基础的力幅大于激振力幅；(b)传递力为激振力 20   时的转速是多大？

5－10 一仪器要与发动机的频率从 1600 rpm 到2200 rpm 范围实现振动隔离，若要隔离85％，仪器安装在隔振装置上时，隔振装置的静变形应为多少？

5－11 如图5－11所示，悬挂系统的固有频率为 0.5 Hz，箱子从 0.5 m 高处落下，求所需的振荡空间。

5－12 某筛煤机的筛子以 600 rpm 的频率作往复运动，机器重 500 kN，基频为 400 rpm。若装上一个重 125 kN的吸振器以机架的振动，求吸振器的弹簧刚度 k2 及该系统的两个固有频率。(图5-12)

       图5－8           图5－9              图5－11               图5－12

5－13 为了消除某管道在机器转速为 232 rpm 的强烈振动，在管道上安装弹簧－质量系统吸振器。某次试验用调谐于 232 rpm 的质量为 2kg，吸振器使系统产生了 198 rpm 和272 rpm 两个固有频率。若要使该系统的固有频率在160 ～ 320 rpm之外，问吸振器的弹簧刚度应为多少？

6－1 一根长度为 L 的均匀棒一端固定，另一端自由。证明标准纵向振动的频率是 f = ( n + 1/2 )C / 2L, 式中C ＝Eg /   是棒内纵向波的速度，n = 0，1，2，…。

6－2 确定一根长度为L、夹牢、两端自由的均匀杆扭转振动时的固有频率表达式。

6－3 转动惯矩为 J 的均匀轴，两端各带一个转动惯量为 J 的圆盘，组成扭转振动系统。确定系统的固有频率。把均匀轴化成带有终端质量的扭转弹簧后校核系统的基频。

6－4 确定一根两端自由的均质杆横向振动时固有频率的表达式。

6－5 50 50 300 mm 的混凝土试验梁支撑在离端部 0.224 L的两点上，发现1690 Hz时共振。若混凝土的密度是 1530 kg / m，试确定试验梁的弹性模量，假设梁是细长的。

7－1 在 20 ℃ 的空气里，求频率为 1000 Hz、声压级为 0 dB 的平面声波的质点速度幅值、声压幅值及平均能量密度各为多少？如果声压级为 120 dB，上述各量又为多少？为使空气质点速度达到与声速相同的数值，需要多大的声压级？

7－2 在 20℃ 的空气里有一列平面声波，已知其声压级为 74 dB，试求其有效声压、平均声能量密度与声强。

7－3 若在水中与空气中具有同样大小的平面波质点速度幅值，问水中声强将是空气中声强的多少倍？

7－4 欲在声级为120 dB 的噪声环境中通话，假定耳机在加一定声功率时在耳腔中能产生110 dB 的声压，如果在耳机外加上耳罩能隔掉 20 dB 噪声，问此时在耳腔中通话信号声压比噪声大多少倍？

7－5 已知两声压幅值之比为 2，5，10，100，求它们声压级之差。已知两声压级之差为1，3，6，10dB，求它们声压幅值之比。

7－6 20 ℃ 时空气和水的特性阻抗分别为 415 及 瑞利，计算平面声波由空气垂直入射到水面上时声压反射系数、透射系数, 以及由水面垂直入射到空气时的声压反射系数和透射系数。

7－7 某测试环境本底噪声声压级为 40 分贝, 若被测声源在某位置上产生声压级 70 dB，试问置于该位置上的传声器接收到的总声压级为多少？如果本底噪声也为 70 dB，则总声压级又为多少？

7－8 房间内有 n 个人各自无关地在说话，假如每个人单独说话在某位置产生L j dB 的声音, 那么 n 个人同时说话在该位置上总声压级应为多少？

7－9 如果测试环境的本底噪声级比信号声压级低 n dB,证明由本底噪声引起的测试误差（即指本底噪声加信号的总声压级比信号声压级高出的分贝数）为

 (dB)

     若 n = 0, 即噪声声压级与信号声压级相等，此时＝？为了使< 1dB，n至少要多大？为了使< 0 . 1dB，n 至少要多大？

7－10 在信号与噪声共存的声场中，总声压级为L，已知本底噪声声压级为，它们的声压级差为,证明这时信号声压级比总声压级L低

  (dB)

8－1 已知单极子球源半径为0.01m，向空气中辐射频率为1000Hz的声波，设表面振速幅值为0.05m/s，求距球心50m处的有效声压和声压级为多少？该源的辐射功率为多少?

8－2 空气中有一半径为 0.01 m 的单极子球源，辐射频率为 1000 Hz 的声波，欲在距球心1 m 处得到 74 dB 声压级，问球源表面振速幅值应为多少？辐射功率应为多大？

8－3 设一演讲者在演讲时辐射声功率 ＝ 10-3 瓦，如果人耳听音时感到满意的最小有效声压为  ＝ 0.1 帕，求在无限空间中听众离开演讲者可能的最大距离。

8－4 半径为0.005 m 的单极子球源向空气中辐射 f = 100 Hz 的声波。球源表面振速幅值为 0.008 m/s，求辐射声功率。若两个这样的单极子球源组成的中心相距l = 15 cm的偶极子源（即两小球源振动相位相反），求总辐射功率。由此计算说明什么问题？

8－5 有一的矩形房间，已知室内的平均吸声系数 ＝ 0.2，求该房间的平均自由程 d，房间常数 R和混响时间 （忽略空气吸收）。

8－6 设一点声源的声功率级为 100 dB，放置在房间常数为 200  的房间中心,求离声源为2m处对应于直达声场、混响声场以及总声场的声压级，其中总声级用两种方法求之, 并证明它们相等。

8－7 将一产生噪声的机器放在体积为V的混响室中，测得室内的混响时间为，以及在离机器较远处的混响声压有效值为，试证明该机器的平均辐射功率为

8－8 有一噪声很高的车间测得室内混响时间为 ，后来经过声学处理，在墙壁上铺上吸声材料，室内的混响时间就降为 。证明此车间内在声学处理前后的稳态混响声压级差为

8－9 有一体积为  的大厅，要求它在空场时的混响时间为 2 s。

     （1）试求室内的平均吸声系数。

     （2）如果希望在该大厅中达到80dB的稳态混响声压级，试问要求声源辐射多少平均声功率（假设声源为无指向性）？

     （3）若大厅中坐满400个听众，已知每个听众的吸声量为=0.5,  这时室内的混响时间为多少？

     （4）若声源的平均辐射功率维持不变，则该时室内的稳态混响声压级变为多少？

     （5）此时离开声源中心3m和10m处的总声压级为多少？

8－10 在一房间常数为 50  的大房间中，有 102 个人分成 51 对无规则地分布在室内（每对两人，相距为 1 m）。开始时只有一对人在对话，双方听到对方的谈话声压级为 60 dB。后来其余各对也进行了以相同的辐射功率的对话。这样，原先的两个对话者的对话声就被室内的语噪声所干扰，（假定谈话声源近似为无指向性的点声源）。试问：

 1）此时在原先一对谈话者的地方，语噪声要比对话声高出多少分贝？

    （2）为了使各自的谈话声能使对方听见，所有对话者都提高嗓门把辐射声功率提高一倍。试问这样以后对话声与语噪声的声压级能变化吗？为什么？

    （3）若对话者都互相移近在0.1m处对话，这时对话声压级将提高多少分贝？而对话声与语噪声的声压级差将变为多少？

9－1 一吸声材料层，要求频率在250Hz以上时吸声系数达到 0.45 以上。如果采用容重为20  的超细玻璃棉，求材料层所需的厚度。（计算时查表9－1，p. 170）。

9－2 一般壁面抹灰的房间，平均吸声系数为 0.04。如果作了吸声处理后，使平均吸声系数提高为 0.3，计算相应的最大减噪效果。如果进一步把平均吸声系数提高为 0.5，最大降噪情况又如何？

9－3 房间墙壁厚度为 20 cm，面密度为 ，求 100 Hz 和 1000 Hz 声波的隔声量。若墙的厚度增加一倍，100Hz声波的隔声量为多少？

9－4 设1000Hz时，隔墙的隔声量  为 40 dB，窗的隔声量  为 25 dB，窗的面积占总面积的 10％，计算这种带窗隔墙的总隔声量 T L。

9－5 一隔声罩以 0.4 mm 的钢板制成，内壁粘贴平均吸声系数为 0.2 的吸声层，计算隔声罩的插入损失。设频率为 1000 Hz，钢板密度 。

《动力机械振动与噪声》习题答案(部分)

1－4 , , t = 0.1 s

1－5       

1－8  (a),(f) , (h) 

2－2    

2－4  x 为弹簧与圆柱连接点的水平位移

2－5  ,

2－6  

2－7 设圆盘盘心水平方向的位移x为广义坐标，x向右为正。

2－10  

2－11  

2－12  

2－14  

2－15  

2－16  

2－17设两个圆盘的转角和为广义坐标，顺时针为正。

2－18 

3－1 

3－3  , 

3－5 

3－7   ,  ,

 , 

3－9  设质量为m和2m的集中质量上下位移x1和x2为广义坐标，向上为正。系统静平衡时位移为零。

 ，

3－10   ,   

3－11, , ,

3－12 

3－13 , ,

3－15 , , 

4－1 , 

4－2   ,

 , 

 , 

4－5  , 

, 

4－9   

4－10  设质量m的位移x为广义坐标。当x0＝0且系统静平衡时质量m的位置x为零，方向向上为正。

4－11设质量m沿斜面运动的位移为广义坐标x，质量m与弹簧接触时广义位移为零，向下为正。

方程：

4－12   

4－17   

4－19

4－21 

5－2 , , , 

5－4,, 

5－5 , 

5－7  3.166  cm/s2

5－9 (a) n < 20.7 rpm；(b) n = 37.6 rpm

5－10  2 . 68  mm

5－12