線性常微分方程:高階與方程組
受迫振動(forced vibration)
自由振動是系統在一次輕推之後所做的事——迴響而消退。受迫振動則是你持續驅動它時所發生的事:每次盪過來都推一把鞦韆,或者向電路裡送入交流電。系統不再鬆弛到靜止,而是安定到那個驅動者的節奏之中。
模型是 m x'' + c x' + k x = F_0 cos(omega t):同一個阻尼振子,如今帶有一個頻率為 omega 的持續週期驅動力。依據齊次解加特解的結構,解有兩部分。暫態是自由阻尼運動(齊次解),它如 e^(-gamma t) 般消亡。穩態是特解,一個頻率為驅動頻率 omega(而非系統自身固有頻率)的正弦,其幅值與相位滯後由 omega 距固有頻率多近來決定。暫態消退之後,只剩穩態。
兩個事實使受迫振動在工程中居於核心。其一,長期響應以驅動頻率而非固有頻率振盪——系統忘掉自己偏愛的曲調,跟隨驅動者。其二,當 omega 趨近固有頻率時穩態幅值急劇攀升,這就是共振現象,它可被利用(無線電調諧、樂器),也可被懼怕(橋樑、機械)。計算幅值隨頻率變化的響應曲線,是振動分析的日常任務。
對 x'' + 4x = 3 cos t,固有頻率為 2,驅動頻率為 1。試 x_p = A cos t,得 -A + 4A = 3,故 A = 1;穩態為 x_p = cos t,以驅動頻率 1 而非以 2 振盪。
暫態消退後,系統以驅動頻率而非自身固有頻率振盪。
暫態與穩態從 t = 0 起就同時存在;暫態並非在時間上「先於」穩態——它們是疊加的,只是一旦 e^(-gamma t) 衰減殆盡,暫態便可忽略。
又稱
另見