弹簧-质量-阻尼系统[1]的传递函数为 1/(ms^2 + cs + k),则系统的无阻固有频率 omega_n 为 ( )。A. sqrt(k/m)B. sqrt(m/k)C. sqrt(c/m)D. sqrt(m/c)
A. $\sqrt{k/m}$
B. $\sqrt{m/k}$
C. $\sqrt{c/m}$
D. $\sqrt{m/c}$
题目解答
答案
解析
本题考查弹簧 - 质量 - 阻尼系统传递函数与无阻固有频率的关系,解题思路是先明确无阻固有频率的定义,再通过对比系统传递函数与标准形式来确定无阻固有频率。
对于弹簧 - 质量 - 阻尼系统,其运动方程为 $m\ddot{x}(t)+c\dot{x}(t)+kx(t)=F(t)$,其中 $m$ 是质量,$c$ 是阻尼系数,$k$ 是弹簧刚度,$x(t)$ 是位移,$F(t)$ 是外力。
对运动方程两边进行拉普拉斯变换,假设初始条件为零,即 $x(0)=0$,$\dot{x}(0)=0$,可得:
$m s^2 X(s)+c s X(s)+k X(s)=F(s)$
其中 $X(s)$ 是位移 $x(t)$ 的拉普拉斯变换,$F(s)$ 是外力 $F(t)$ 的拉普拉斯变换。
将上式变形为传递函数的形式 $G(s)=\frac{X(s)}{F(s)}$,则有:
$G(s)=\frac{X(s)}{F(s)}=\frac{1}{ms^2 + cs + k}$
无阻固有频率 $\omega_n$ 是指系统在没有阻尼($c = 0$)时的固有频率。当 $c = 0$ 时,传递函数变为 $G(s)=\frac{1}{ms^2 + k}$。
对于一个二阶系统的标准形式 $G(s)=\frac{\omega_n^2}{s^2+\omega_n^2}$,对比我们得到的 $G(s)=\frac{1}{ms^2 + k}$,可将其变形为 $G(s)=\frac{\frac{1}{m}}{s^2+\frac{k}{m}}$。
由此可知,$\omega_n^2=\frac{k}{m}$,那么无阻固有频率 $\omega_n=\sqrt{\frac{k}{m}}$。