振动

振动的分类

系统受外界激励，作强迫振动时，若外界激励的频率接近于系统频率，强

迫振动的振幅可能达到非常大的值，这种现象叫做共振。

一个系统有无数个固有频率，我们常研究低范围的系统频率。

共振是物理学上，一个运用频率非常高的专业术语。共振的定义是两个振

动频率相同的物体，当一个发生振动时，引起另一个物体振动的现象。

共振在力学中亦称“共鸣”，它指的是物体因共振而发声的现象，如两个

频率相同的音叉靠近，其中一个振动发声时，另一个也会发声。

共振的英语是resonance，谐振与共振是同一个意思。

02涡振

涡振是指在平均风作用下，有绕流实腹断面后交替脱落的涡旋引起的振动。

桥梁涡振研究是空气动力学的一个分支学科。

桥梁涡振是一种兼有自激振动和强迫振动特性的有限振幅振动，它在一个

相当大的风速范围内，可保持涡激频率不变，产生一种“锁定”(lock-on)现

象。

桥梁涡激共振的有限振幅计算是一个十分重要但又异常困难的问题，目前

国内外还没有形成一套比较完整的桥梁涡振分析理论。

实用上，采用一种半理论半实验的方法，以近似地估算涡激共振的振幅。

涡振的英语是vortex-inducedoscillation。03颤振

颤振指的是在气动力的作用下，由于结构本身具有弹性和惯性，流动与结

构互相耦合作用而发生的一种自激振动现象。

抖振通常指的是由于流动本身存在分离、激波附面层干扰等非定常特性，

导致加载在弹性结构上的气动力呈现周期性而造成的结构强迫响应。也就

是说在传统定义下，经典颤振是一种自激振动。

除此之外，还有大攻角下的失速颤振现象，有的学者认为这类存在强分离

条件的结构振动是颤振与抖振共存的。

颤振的英语是flutter。

04抖振

抖振在飞机中是指，在分离气流或尾流激励下发生的飞机部件按结构自然

频率的振动。抖振的最主要例子是飞机的尾翼抖振。

当尾翼处于机翼、机翼——机身接合部或其他部件的尾流中时，尾流中的

扰动迫使尾翼作强烈的振动。

在飞机作大迎角飞行时，特别容易发生尾翼抖振，在历史上曾造成严重事

故。机翼的抖振来自本身气流的分离，在跨声速范围内，激波诱发的边界

层分离则是导致抖振的另一重要原因。抖振限制了飞机的可用升力系数和

马赫数，防止抖振的措施通常是整流气动外形和恰当地安排尾翼与机翼和

机身的相对位置。

抖振是一种随机性振动，但在频域内是有规则的，其功率谱的主峰值一般

与第一阶固有频率相对应。

相较于颤振，抖振虽然不会立刻破坏飞行器的结构，但是增加的结构应力

会降低飞行器疲劳寿命。同时，抖振还会对飞行器的气动性能、武器系统、

机械电子仪器设备，以及乘员的舒适性等产生不利影响。

严重的抖振还可能导致驾驶员失去操纵能力，从而危及飞行及驾驶员的安

全。所以，飞行器设计都把抖振作为一个重要的因素予以考虑。

抖振的英语是buffeting。

05喘振

喘振是透平式压缩机（也叫叶片式压缩机）在流量减少到一定程度时，所

发生的一种非正常工况下的振动。离心式压缩机是透平式压缩机的一种形

式，喘振对于离心式压缩机有着很严重的危害。

喘振的产生与流体机械和管道的特性有关，管道系统的容量越大，则喘振

越强，频率越低。

流体机械的喘振会破坏机器内部介质的流动规律性，产生机械噪声，引起

工作部件的强烈振动，加速轴承和密封的损坏。

一旦喘振引起管道、机器及其基础共振时，还会造成严重后果。

喘振的英文是surge。

06驰振

驰振一般发生在正方形、矩形、直角形等，复杂不规则的非流线型截面的

结构中。

驰振产生的机理是由于升力曲线具有负斜率，使得空气升力具有负阻尼作

用，结构能够源源不断地从外界吸收能量，从而形成类似颤振的发散振动

现象。根据产生机理的不同，驰振可以分为尾流驰振和横流驰振两种。

尾流驰振是由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的不稳定振

动。比如说斜拉桥的拉索、悬索桥吊杆最容易发生尾流驰振。

横流驰振是由升力曲线的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。

这种负斜率使得振动过程中结构的位移始终与空气力的方向相一致，结构

不断从外界吸收能量，从而形成不稳定振动。

横流驰振一般发生在具有棱角的非流线型截面的柔性轻质结构中，悬吊体

系桥梁结构中的拉索和吊杆最有可能发生横流驰振。

此外，对于宽高比较小的梁式钢桥，高柔的大跨径斜拉桥、悬索桥桥塔以

及连续钢构桥在最大悬臂施工阶段的主梁，都存在着发生驰振发散的可能

性。驰振的英文叫galloping。

07涡街

涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的定

常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列

规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。

如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等，都会形成卡门涡街。因为涡

街是由卡门提出的，所以又叫卡门涡街。中国力学标杆性人物钱学森、郭

永怀和钱伟长都在卡门实验室工作过。

如果涡街的交替脱落频率与物体的声学驻波频率相重合，还会出现共振。

工业上的预热器、锅炉等多由圆管组成，流体绕流圆管时，卡门涡街的交

替脱落会引起预热器箱中气柱的振动，如果涡街的交替脱落频率与物体的

声学驻波频率相重合，就会引发声学共振，使管箱激烈振动，严重时，预

热器管箱振鼓错开，甚至破裂。

如果改变管箱和气体的固有频率，使之与卡门涡街的脱落频率错开，避免

发生共振，则可防止设备的破坏。