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机械振动

不是张力而是刚度 — 梁的弯曲振动

梁靠弯曲刚度(EI)而非张力振动,模态非正弦、频率非整数倍(悬臂 1:6.27:17.5),f₁ ∝ √(EI/ρA)/L²

弦是靠张力回复的,但跳板或尺子的一端即使没有任何张力,一弹也会回弹振动——弯曲的梁靠自身的弯曲刚度(EI)伸直。梁也是有无穷多模态的连续系统,但与弦不同,它的频率不是基频的整数倍(非谐)。

拉一下悬臂梁(一端固定、一端自由)的末端再松手。明明没有任何张力,弯曲的梁却靠自身的弯曲刚度伸直并振动。弦靠张力,梁靠刚度——回复力的来源不同。

是什么决定梁的频率?f₁ ∝ √(EIρA)。动一动刚度 EI 和长度 L。在弦里长度是一次方,但在梁里是 L 的平方——长度加倍,频率就骤降到四分之一。这正是长结构特别容易晃的原因。

选一个更高的模态。梁的模态形状不是正弦,而是越靠自由端摆动越大的特有曲线。而且频率比是 1 : 6.27 : 17.5——不像弦的 1 : 2 : 3,并非整数倍。正因这种非谐,敲击的棒发出的是"咣"声而非清晰音高。

梁两端如何支撑,决定了一切。切换悬臂(固定-自由)、简支(铰-铰)与自由-自由。同一根梁,基频系数就从 3.5 → 9.9 → 22.4 大幅变化。两端自由的梁,正是音叉和木琴的条。

同样的弯曲振动无处不在。翻看这些例子——跳板(悬臂)、飞机机翼(悬臂弯曲,颤振危险)、音叉与木琴条(自由-自由,把泛音调成音乐的)。懂得梁的模态,就知道什么会振、何时变危险。

实际应用梁是靠弯曲刚度(EI)而非张力回复的连续系统。它有无穷多模态,但与弦有两点决定性不同。第一,模态形状不是正弦。第二,频率不是整数倍(非谐)——悬臂为 1 : 6.27 : 17.5。所以敲击的棒发出没有音高的"咣"声,而木琴和音叉则把棒削形,特意把泛音调得悦耳。基频为 f₁ ∝ √(EIρA)——长度的平方,所以越长越快变软,而端部条件(悬臂、简支、自由-自由)会整体改变模态与频率。跳板、机翼、桥梁、木琴条都是这一个关系式的家族。实务依旧:找出模态的形状与频率,让任何驱动力都远离它们。
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