國(guó)外最新振動(dòng)學(xué)教材調(diào)研及特色分析1

國(guó)外最新振動(dòng)學(xué)教材調(diào)研及特色分析1)黃修長(zhǎng)華宏星

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海202240)

機(jī)械振動(dòng)學(xué)是一門(mén)經(jīng)典力學(xué)課程，國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者撰寫(xiě)的本科生、研究生教材已有100多本，一些教材得以不斷再版。再版教材在不同年代引入了各具時(shí)代特色的元素（如仿真分析、最新工程案例和科研成果），因此備受歡迎。此外，一些知名學(xué)者、工業(yè)顧問(wèn)等結(jié)合多年授課經(jīng)驗(yàn)、從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行教材或?qū)ｎ}書(shū)籍的撰寫(xiě)，不斷充實(shí)機(jī)械振動(dòng)學(xué)教材和專(zhuān)著的隊(duì)伍。

陳立群教授和于開(kāi)平教授對(duì)美國(guó)及國(guó)內(nèi)外的振動(dòng)學(xué)教材進(jìn)行了剖析。陳立群教授對(duì)1995年至2022年的振動(dòng)力學(xué)教材進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從傳統(tǒng)教材、習(xí)題集和獨(dú)具特色的教材三個(gè)方面詳細(xì)分析了15本教材的內(nèi)容[1]，并對(duì)德國(guó)振動(dòng)力學(xué)教材進(jìn)行分析和介紹[2-3]。于開(kāi)平教授[4]介紹了一些廣為應(yīng)用的教材，同時(shí)結(jié)合目前學(xué)時(shí)短的特點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)振動(dòng)學(xué)教材進(jìn)行分析。胡海巖教授[5]對(duì)力學(xué)教材創(chuàng)新提出了獨(dú)到的見(jiàn)解。

機(jī)械振動(dòng)學(xué)作為一門(mén)力學(xué)課程，工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生通常認(rèn)為其理論性太強(qiáng)、數(shù)理基礎(chǔ)要求高、不夠吸引人。即使學(xué)習(xí)機(jī)械振動(dòng)學(xué)后，部分學(xué)生認(rèn)為機(jī)械振動(dòng)學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容僅可以解決理想化的經(jīng)典例題，面對(duì)現(xiàn)實(shí)工程系統(tǒng)往往不知如何著手分析。因此，本科生教材應(yīng)當(dāng)使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)的早期階段解決這一有意義的問(wèn)題。此外，工程藝術(shù)和科學(xué)以驚人的速度發(fā)展，振動(dòng)的主題也隨之?dāng)U展，近15年來(lái)國(guó)外振動(dòng)學(xué)教材得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，經(jīng)典的振動(dòng)類(lèi)教材/書(shū)籍進(jìn)行改版、部分國(guó)家的一些特色教材也不斷涌現(xiàn)。因此，急需對(duì)2022—2022年之間的教材進(jìn)行調(diào)研、分析。

1.3其他國(guó)家振動(dòng)學(xué)教材

除歐美等國(guó)家外，本文對(duì)印度、塞爾維亞等國(guó)的部分振動(dòng)學(xué)教材進(jìn)行分析。

印度Singh等[44]的《機(jī)械振動(dòng)》包括振動(dòng)基本元素，無(wú)阻尼自由振動(dòng)，有阻尼自由振動(dòng)，強(qiáng)迫振動(dòng)，兩自由度系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)，連續(xù)系統(tǒng)，瞬態(tài)振動(dòng)，非線(xiàn)性振動(dòng)等章。每章有一些分層次的例題及詳細(xì)解答。

塞爾維亞共和國(guó)Kova?i?等[45]的《機(jī)械振動(dòng)：已解決問(wèn)題及基礎(chǔ)》包括拉格朗日方程，單自由度系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)，單自由度系統(tǒng)的有阻尼自由振動(dòng)，單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)，二自由度系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)，二自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)，無(wú)限自由度系統(tǒng)的振動(dòng)，附加主題（如非線(xiàn)性彈簧，關(guān)于非線(xiàn)性彈簧的撓度和勢(shì)能）等。每章都包含簡(jiǎn)短的理論介紹部分、大量從簡(jiǎn)單到非常復(fù)雜的已解決案例、大綱和目標(biāo)、章節(jié)回顧和提示。

印度孟買(mǎi)理工學(xué)院Manik[46]的《結(jié)構(gòu)聲：基礎(chǔ)和應(yīng)用》包括單自由度系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)和桿縱向振動(dòng)，氣動(dòng)聲，隨機(jī)振動(dòng)，梁的彎曲振動(dòng)，板殼彎曲振動(dòng)，聲源，房間聲學(xué)，聲-結(jié)構(gòu)交互，統(tǒng)計(jì)能量分析等內(nèi)容。該書(shū)內(nèi)容全面且自成體系，包括已解決的例子和插圖，傳感器和噪聲控制設(shè)計(jì)。

1.4適合于工程師的工業(yè)顧問(wèn)編寫(xiě)教材

工業(yè)顧問(wèn)編寫(xiě)的書(shū)籍往往與工程實(shí)際緊密聯(lián)系，包含工程最新應(yīng)用進(jìn)展，可作為教材的有效補(bǔ)充。

瑞典Brandt[47]的《噪聲和振動(dòng)分析：信號(hào)分析和試驗(yàn)程序》包括動(dòng)態(tài)信號(hào)和系統(tǒng)，時(shí)間數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過(guò)程，基礎(chǔ)力學(xué)，模態(tài)分析理論，用于噪聲和振動(dòng)分析的傳感器，頻率分析理論，實(shí)驗(yàn)頻率分析，使用DFT（離散傅里葉變換）的頻譜和相關(guān)性估計(jì)，測(cè)量和分析系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析，單輸入頻率響應(yīng)測(cè)量，多輸入頻率響應(yīng)測(cè)量，信號(hào)正交化，高級(jí)分析方法（如沖擊響應(yīng)譜，希爾伯特變換，倒頻譜分析，包絡(luò)譜，用已知的譜密度創(chuàng)建隨機(jī)信號(hào)，工作變形模態(tài)分析，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析）等內(nèi)容。包括練習(xí)、大量的線(xiàn)圖和插圖、附帶網(wǎng)站中MATLAB工具和示例。

Gatti[48]的《高級(jí)機(jī)械振動(dòng)：物理、數(shù)學(xué)和應(yīng)用》包括一些初步的基礎(chǔ)知識(shí)，建立運(yùn)動(dòng)方程，有限自由度系統(tǒng)?自由振動(dòng)，有限自由度系統(tǒng)?對(duì)外部激勵(lì)的響應(yīng)，連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)等6個(gè)章節(jié)。強(qiáng)調(diào)物理和數(shù)學(xué)之間的密不可分和相互關(guān)系，包括理論和應(yīng)用、工作示例。

Bhattacharyya[49]的《振動(dòng)分析的實(shí)際案例學(xué)習(xí)：振動(dòng)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介》從振動(dòng)分析的基礎(chǔ)部分開(kāi)始，介紹了30個(gè)真實(shí)的案例研究，涉及現(xiàn)實(shí)生活中遇到的問(wèn)題。

2新教材內(nèi)容及特色分析

對(duì)于本科生，學(xué)習(xí)階段既需要詳細(xì)的理論推導(dǎo)、對(duì)基本概念的深刻理解，也需要結(jié)合實(shí)際工程案例加深對(duì)理論的理解，掌握基本的建模、計(jì)算、求解和分析的能力。對(duì)于研究生，需要掌握高階建模、數(shù)值和理論求解、深入分析的能力。經(jīng)典的教材能夠反映著者將科學(xué)家的學(xué)術(shù)洞察力與經(jīng)驗(yàn)豐富工程師的實(shí)際解決問(wèn)題相結(jié)合的獨(dú)特能力。新版教材在該方面也進(jìn)行了有益的嘗試?？偨Y(jié)起來(lái)，新教材大概有以下幾個(gè)特點(diǎn)。（1）再版教材或新教材與時(shí)俱進(jìn)地更新了從實(shí)際工程案例抽象的新模型、新的研究成果或熱點(diǎn)，提供了仿真軟件（MATLAB和FEM）程序、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)及案例。（2）新教材的特色體現(xiàn)在簡(jiǎn)潔性、邏輯性、與工程案例的深度融合和有效結(jié)合。特色內(nèi)容包括面向理論的群論、非線(xiàn)性影響和波動(dòng)分析、穩(wěn)定性問(wèn)題，面向應(yīng)用的渦輪機(jī)和船舶振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)機(jī)械的振動(dòng)問(wèn)題、人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)、振動(dòng)引起的可靠性問(wèn)題，面向?qū)W科前沿的智能結(jié)構(gòu)、磁軸承等。（3）新教材貫穿了建模、分析、模擬、測(cè)量、監(jiān)控、測(cè)試和振動(dòng)控制與設(shè)計(jì)等內(nèi)容。注重對(duì)機(jī)械或流體激振力的分析、對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛿?shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)、對(duì)學(xué)生解決工程領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題能力的訓(xùn)練。（4）新教材重視例題習(xí)題對(duì)應(yīng)的工程背景、物理意義、力學(xué)建模。通過(guò)引入針對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題凝練的例題和習(xí)題，清晰地展示基礎(chǔ)理論在解決實(shí)際工程問(wèn)題中的能力，通過(guò)學(xué)以致用、用以促學(xué)激發(fā)學(xué)生對(duì)振動(dòng)學(xué)的興趣。（5）新教材習(xí)題豐富，包括預(yù)備題、基本問(wèn)題、概念問(wèn)題、示例、一般分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題等。預(yù)備題可測(cè)試學(xué)生對(duì)所學(xué)理論的概念性理解、基本問(wèn)題提供了概念的簡(jiǎn)單應(yīng)用、概念問(wèn)題激發(fā)學(xué)生結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行思考、示例展示解題思路、分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題提升綜合應(yīng)用基礎(chǔ)理論進(jìn)行建模求解分析和討論的能力。（6）新教材在內(nèi)容的廣度和深度方面深化了振動(dòng)–聲、振動(dòng)導(dǎo)致強(qiáng)度問(wèn)題、振動(dòng)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題等知識(shí)點(diǎn)。著者結(jié)合其在某方面長(zhǎng)期研究的積累或所在單位學(xué)科特長(zhǎng)，引入相關(guān)高階的主題內(nèi)容。（7）新教材的例題和習(xí)題注重跨學(xué)科和跨行業(yè)。例題和習(xí)題包括各行業(yè)領(lǐng)域（如艦船、汽車(chē)、直升機(jī)等）凝練的內(nèi)容，也包括生物力學(xué)、微機(jī)械系統(tǒng)等不同學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容；引入跨行業(yè)的例題可為振動(dòng)控制和振動(dòng)排故等提供借鑒思路，引入跨學(xué)科例題有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3結(jié)論

本文對(duì)國(guó)外2022—2022年機(jī)械振動(dòng)學(xué)教材進(jìn)行了調(diào)研和分析，國(guó)外教材在適應(yīng)新的工業(yè)發(fā)展階段下不斷更新，知名教授也不斷總結(jié)凝練研究成果推出新教材。我國(guó)在借鑒國(guó)外振動(dòng)學(xué)優(yōu)秀教材的基礎(chǔ)上，依據(jù)國(guó)情，建設(shè)適合于我國(guó)人才培養(yǎng)需求的特色振動(dòng)學(xué)教材體系。我國(guó)正在開(kāi)展新工科創(chuàng)新交叉復(fù)合人才培養(yǎng)，其基本思路是理清需求、凝聚學(xué)科、建立模型、三位一體（分析/計(jì)算/實(shí)驗(yàn)）、提出預(yù)測(cè)和支撐設(shè)計(jì)。結(jié)合我國(guó)目前工業(yè)的發(fā)展階段和現(xiàn)實(shí)國(guó)情，振動(dòng)學(xué)教材在以下4個(gè)方面需進(jìn)行強(qiáng)化。（1）形成建模、分析、模擬、測(cè)量、監(jiān)控、測(cè)試和振動(dòng)控制與設(shè)計(jì)等內(nèi)容一貫的內(nèi)容體系，從面向應(yīng)用和需求牽引的角度深化振動(dòng)-聲、振動(dòng)導(dǎo)致強(qiáng)度問(wèn)題、振動(dòng)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題等知識(shí)點(diǎn)，從基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的角度加強(qiáng)反問(wèn)題、振動(dòng)（動(dòng)力學(xué)）設(shè)計(jì)等主題內(nèi)容。（2）凝練并豐富習(xí)題、示例、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題等內(nèi)容，從習(xí)題的層次性、學(xué)科交叉性、行業(yè)覆蓋面、工程實(shí)際問(wèn)題等方面全面提升習(xí)題質(zhì)量。（3）結(jié)合國(guó)內(nèi)