参激振动是由振动系统的参数周期性变化而导致的振动。参激振动是除自由振动、受迫振动和自激振动之外的又一种振动产生机制。类似于受迫振动,参激振动由外界的激励产生,但不同于受迫振动,外界激励不是通过周期变化的外力或外力偶施加于系统,而是通过系统内参数的周期性变化间接地实现。参激振动不仅有不同的振动机制,还有特殊的振动现象。在周期性参数激励下所产生的响应,有时可能趋于消失,有时可能表现为剧烈的共振,取决于周期性变化参数的幅值和频率。
以变长度单摆说明参激振动。令摆长l(t)为时间t的函数l(t)=l0+Asinwt,其频率w为摆长为l0的单摆固有频率w0的二倍。选取摆的合适初始位置释放使得摆长在最高点处最长,在最低点处最短。在每个摆动周期内,伸长缩短操作各重复两次,重力持续做正功,导致振幅不断增大。这时称为参激振动不稳定。理论上,不稳定的参激振动可趋于无穷大,但实际上,摆角较大时恢复力中的非线性因素不能忽略,可能出现振幅一定的周期性运动。若摆长与摆角之间的相位差与前述相反,则重力的正功变为负功,机械能递减,单摆振幅减小,并趋于静止。这时称参激振动稳定。在稳定和不稳定之间的过渡情况,摆作周期或准周期运动。这个例子也说明参激振动与自激振动的不同。荡秋千的力学模型也是变长度单摆,但摆长的变化为摆角的函数,单摆系统可以从人的生物能中汲取能源,形成周期性运动。因此荡秋千为自激振动。而这里讨论的变长度单摆,但摆长是时间t的周期函数,为参激振动。
对参激振动的研究开始于1831年M. 法拉第的观察,他发现充液容器作铅垂简谐振动时,液体的自由表面晃动的周期是容器振动周期的2倍。1860年,F. 梅尔德观察到张紧在音叉上的弦线振动,其横向振动的频率为音叉振动频率的一半。随后的参激振动研究主要与动力不稳定性相关。结构在载荷有非定常涨落时,稳定性将发生变化。这类问题的研究揭示了大量参激振动的实例,例如受轴向周期载荷直杆的横向振动、刚度周期性变化的轴的扭转、管内流体速度脉动的输液管横向振动等。另一类参激振动的实例是天体或航天器在椭圆轨道上的运动。
不同领域的参数激励振动千差万别,但其数学模型都是周期变系数的微分方程。这类方程不仅可以描述参激振动,而且出现在一些振动系统周期响应的稳定性问题中。对于周期解,扰动方程通常是周期变系数方程,因此参激振动的研究也有助于周期运动稳定性的分析。
忽略非线性因素时,线性参激振动的数学模型是周期变系数的线性微分方程。线性参激振动,在分析方法不同于线性自由振动或线性受迫振动,也更接近非线性振动。线性参激振动最重要的问题是稳定性分析。稳定时只有零解,不稳定时解趋于无穷,在两者的边界上有周期解。线性参激振动稳定性分析的基础是G. 弗洛凯在1883年提出的理论,通过特征指数判断周期变系数常微分方程的周期解稳定性。
多数实际系统有非线性因素。若线性参数激励振动不稳定,振幅增大,非线性因素变得不可忽略。这时需要研究非线性参激振动。非线性不影响零解的稳定性,但导致更多的有限幅值的稳态运动。非线性参激振动可能是稳定的零解,也可能有振幅有限的周期运动,还可能有更复杂的准周期运动或混沌运动等。非线性参激振动研究往往更关注非零稳态响应及其稳定性。
对参数激励振动系统而言,若激励频率接近于系统(对非线性系统是线性派生系统)的固有频率2倍,或者不同固有频率的和或差时,小的参数激励可能导致大的响应。这种现象分别称为主参数共振、和式参数共振和差式参数共振,后两者也统称为组合参数共振。频率接近只是出现参数共振的必要条件,共振是否出现取决于激励的幅值和频率。通常以稳定图的形式,表述出现共振时激励幅值和频率所需要满足的条件。
参激振动系统可能同时受到外激励。对线性参激系统的受迫振动已经有清晰的认识。脉冲外激励不改变参激振动的稳定性;稳定的参激振动对阶跃外激励的有周期响应,该性质在实验中可用于识别系统是否有时变参数;稳定参激振动受简谐外激励时,若外激励的周期与参数激励周期可以有理通约,有周期性响应。非线性参激系统的受迫振动在弱非线性时可以用近似解析方法研究。对于参激、自激和受迫多种振动机制共存的系统,由于存在着相互作用,响应形式也很复杂。仅在特殊情形出现周期振动,一般是准周期振动或混沌振动。
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