Вынужденные колебания. Амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики
Колебания – такие процессы, при которых параметры, характеризующие состояние колебательной системы, повторяются с течением времени. Например, колебания маятника в маятниковых часах, суточные колебания освещённости данного участка Земной поверхности и т.д.
Вынужденные колебания - колебания системы, возникающие под воздействием внешней вынуждающей силы. Характер этих колебаний определяется как свойствами самой колебательной системы, так и внешней силой. Обычно принимают, что внешняя периодическая сила изменяется по гармоническому закону .
|
Рис. 1 Система с вынужденными колебаниями |
|
Рис. 2 Силы, действующие в системе |
Рассмотрим колебательную систему, показанную на рисунке 1.
Она состоит из горизонтального пружинного маятника и кривошипо-шатунного механизма. Кривошипо-шатунный механизм - механизм, который преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное.
Тогда II-й закон Ньютона для данной системы запишется в виде:
| (1) |









В проекции на ось x:
| (2) |
введём замены: ,
, получим:
| (3) |
Введём обозначения (
– показатель затухания,
- коэффициент сопротивления),
(
– циклическая частота свободных колебаний системы в отсутствие трения),
– приведённая сила. Тогда можем переписать уравнение в общем виде:
| (4) |
Уравнение (4) – дифференциальное уравнение вынужденных колебаний, линейное, второй степени, неоднородное (с правой частью). Исследуем его. Как известно из теории дифференциальных уравнений, решением уравнения (4) является сумма двух решений: общего решения однородного уравнения соответствующего данному неоднородному и частного решение неоднородного уравнения в целом.
Однородное уравнение соответствующее данному неоднородному есть уравнение затухающих колебаний
1.
2.
3.
4. :
a.
| (5) |
Решением этого уравнения является функция:
|
(6) |
Частное решение неоднородного уравнения в целом будем искать следующим образом. Как показывает практика, не зависимо от начальных условий осциллятора через достаточно большой промежуток времени (время разгорания/релаксации) в системе установятся гармонические колебания с частотой вынуждающей силы и амплитудой
, зависящей от частоты
.
Различные случаи установления гармонических колебаний: | |
|
|
Рис. 3 Случай разгорания для | Рис. 4 Произвольный случай разгорания |