Тема 4. Вынужденные колебания в системе с одной степенью свободы Вопрос 9

Как мы уже говорили, колебания в системе под действием внешней периодической силы называются вынужденными. Свойства этих колебаний зависят не только от параметров системы, но и от частоты и амплитуды внешней силы. Возможно силовое воздействие, которое меняет обобщённые координаты, либо параметрическое, когда меняются параметры системы. Возможно и смешанное воздействие, как на обобщённые координаты, так и на параметры системы.

4.1. Вынужденные колебания в линейной системе при гармоническом воздействии

Для линейных стационарных систем выполняется принцип суперпозиции: если воздействие x₁(t) порождает реакцию u₁(t), а воздействие x₂(t) реакцию u₂(t), тогда воздействие, которое является линейной комбинацией первых двух ₁x₁(t) + ₂x₂(t) порождает следующую реакцию ₁u₁(t) + ₂u₂(t). Этот принцип означает, что в таких системах отсутствует нелинейное взаимодействие колебаний, вызванных различными одновременными действующими внешними силами. Будем считать, что собственные колебания в диссипативной системе достаточно быстро затухают, и можно анализировать только вынужденные колебания, т. е. рассматривать установившийся режим

Рассмотрим простейший RLC контур с источником гармонического воздействия u₁(t) с частотой ₁ (рис. 26), тогда колебательный процесс будет описываться линейным ДУ:

Рис. 26. Колебательный контур с вынуждающей силой		(4.1)
	Решением неоднородного ДУ (4.1) является сумма решений однородного уравнения, т. е. собственных колебаний, и частного решения неоднородного уравнения, т. е. вынужденных колебаний. Собственные колебания описываются уравнением (3.23) , где .

Начальную фазу надо отсчитывать от внешнего воздействия. При гармоническом воздействии внешней силы реакция линейной системы есть гармонический сигнал:

.

Подставим это выражение в (4.1):

.

Воспользовавшись равенством

,

преобразуем получившееся уравнение к виду

.

Приравнивая амплитуды и фазы в правой и левой частях этого уравнения, получим

(4.2)

Мы обозначили  = ₁/₀  расстройка, Q₀ = ₀L/R  добротность. Из (4.2) следует, что ₁(₁  0) = 0, ₁(₁ = ₀) = /2, ₁(₁  ) = .

Решим эту задачу методом комплексных амплитуд. Сопоставим току и напряжению их комплексные амплитуды, а также вспомним реактивные сопротивления, тогда можно записать

.

Найдём модуль

.

Нетрудно видеть, что максимальное значение тока:

.

Введём форм-фактор, который определяет семейство нормированных резонансных кривых (в данном случае для тока)

.

График этой функции приведён на рис. 27. Напряжение на резисторе пропорционально току через контур u_R = iR, т. е. амплитуда напряжения на резисторе достигает максимума при ₁ = ₀. Зависимость фазы напряжения на резисторе от расстройки приведена на рис. 28. 

Рис. 27. Семейство нормированных резонансных кривых для разных значений добротности Q0.

Рис. 28. Зависимость фазы напряжения на сопротивлении R от расстройки.

Исходя из операций с комплексными амплитудами, легко получить выражения для напряжений на всех элементах рассматриваемого колебательного контура. Для комплексной амплитуды напряжения на конденсаторе получаем

.

Соответственно, фаза напряжения на конденсаторе сдвинута относительно фазы напряжения на резисторе на -/2. Резонанс напряжения на ёмкости получается при , т. е. при более низкой, чем ₀ частоте ₁.

Для комплексной амплитуды напряжения на индуктивности получаем

.

Фаза напряжения на индуктивности сдвинута относительно фазы напряжения на резисторе на /2. Резонанс напряжения на индуктивности достигается при , т. е. на более высокой, чем ₀ частоте ₁. Нужно отметить, что для достаточно высокой добротности контура эта разница частот резонанса напряжений на резисторе, конденсаторе и индуктивности несущественна. Все три максимума совпадают только при Q₀  .