Механические колебания (стр. 2 из 3)

где

— коэффициент затухания, — собственная частота колебаний системы. Решением этого уравнения будет:

(13)

Явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте колеблющегося тела называется резонансом, происходящие при этом колебания - резонансными, а их частота w_рез— резонансной частотой колебаний.

Расчет дает значение резонансной частоты:

w_рез =

Если b очень мало, то w_p»w₀ . Подставив w_резвместо W в (13), получим максимальную величину амплитуды колебаний при резонансе:

А_рез =

. (14)

Чтобы определить резонансную частоту w_рез, нужно найти максимум функции (2.13) или, что то же самое, минимум выражения, стоящего под корнем в знаменателе. Продифференцировав это выражение по W и приравняв нулю, мы получим условие, определяющее w_рез:

-4(w₀² -W²)W + 8b²W = 0.

Это уравнение имеет три решения: W = 0 и

.

Решение, равное нулю, соответствует максимуму знаменателя. Из остальных двух решений отрицательное должно быть отброшено, как не имеющее физического смысла (частота не может быть отрицательной). Таким образом, для резонансной частоты получается одно значение: w_рез =

. Подставив это значение частоты в (13), получим выражение для амплитуды при резонансе:

А_рез =

Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы (частоты колебаний) показана графически на рисунке: b₁ < b₂ <b₃

Это резонансные кривые.

Рис. 3. Резонансные кривые.

1.2 Автоколебания

Системы автоматически регулирующие подачу энергии от внешнего источника, называются автоколебательными, а происходящие в них незатухающие периодические процессы - автоколебаниями. Такими системами являются часы, электрический звонок, ламповый генератор электромагнитных колебаний и т.д.

1.3 Разложение колебаний в гармонический спектр. Применение гармонического анализа для обработки диагностических данных

Сложение гармонических колебаний, направленных по одной прямой.

Возможны случаи, когда тело участвует одновременно в нескольких колебаниях, происходящих вдоль одного и того же или вдоль различных направлений.

Рассмотрим сложение двух гармонических колебаний одинакового направления, одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами, но с разными начальными фазами a₀₁и a₀₂. Смещение x колеблющегося тела будет суммой смещений x₁и x₂:

x = x₁ + x₂ = Acos(w₀t + a₀₁) + Acos(w₀t + a₀₂).

Используя известную из тригонометрии формулу для суммы косинусов двух углов,

имеем:

A_рез

,

то есть получается гармоническое колебание той же частоты с начальной фазой

и амплитудой A_рез .

Как видно, амплитуда A_резрезультирующего колебания зависит от разности фаз складываемых колебаний.

Рассмотрим два крайних случая:

А) Колебания происходят в фазе, то есть a₀₁ = a₀₂, тогда

и , поэтому A_рез = 2A.

Если амплитуды не равны, A_рез = A₁ + A₂.

Б) Колебания происходят в противофазе, то есть a₀₁ = a₀₂±p, тогда

. Следовательно, и A_рез = 0. Если амплитуды не равны, например, A₁ > A₂, тоA_рез = A₁ - A₂.

Таким образом, при сложении двух одинаково направленных гармонических колебаний одного периода и с равными амплитудами получается гармоническое колебание того же периода с амплитудой, которая в зависимости от соотношения фаз складываемых колебаний может изменяться от удвоенного значения, если колебания происходят в фазе, до нуля, если они находятся в противофазе.

При сложении гармонических колебаний с разными частотами результирующее колебание не будет гармоническим, а будет являться сложным колебанием (Рис.4.).

Б

Рис. 4. Сложение гармонических колебаний с разными частотами:

А) исходные колебания, Б) результирующее колебание.

Сложное колебание и его гармонический спектр.

Согласно теореме Фурье, любое сложное колебание может быть представлено как сумма простых (гармонических) колебаний (гармоник), периоды или частоты которых кратны основному периоду или частоте сложного колебания.

Совокупность простых колебаний, на которые можно разложить данное сложное колебание, называется его гармоническим спектром.

В гармоническом спектре сложного колебания указываются частоты и амплитуды всех составляющих его простых колебаний. Обычно спектр изображается в виде графика, на горизонтальной оси которого откладываются частоты; затем для каждой из частот простых колебаний имеющихся в спектре, строится ордината, соответствующая амплитуде этого колебания. Если гармонический спектр сложного колебания содержит только небольшое число простых колебаний и график его состоит из отдельных ординат, то такой спектр называется линейчатым (рис. 5.).

Если спектр содержит простые колебания практически всех частот в каких-то пределах, то он называется сплошным и график его строится в виде сплошной огибающей кривой.

Установление гармонического спектра является основным приемом при анализе сложного колебания. Этот анализ делается с помощью специальных приборов —гармонических анализаторов. Они применяются и в медицине при исследовании, например, колебаний биопотенциалов головного мозга и др. Многие процессы человеческого организма являются периодическими: сердечные сокращения, дыхание, кровенаполнение сосудов и т. п