徐新云，陳旭雯，陳章位

(1.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310058；2.杭州億恒科技有限公司，浙江杭州 310013)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種先進(jìn)精密儀器逐漸成為各個研究行業(yè)的重要裝備，這些儀器測量精度很高，但是對環(huán)境微振動也非常敏感[1-2]。環(huán)境振動會對儀器測量精度帶來很大的影響，不僅會降低儀器測量精度，甚至可能會對儀器造成損傷。因此，對環(huán)境微振動的測量和分析具有重要意義，為后續(xù)的隔振措施奠定基礎(chǔ)。

環(huán)境微振動的物理特征非常復(fù)雜，通常是由各種振動源(設(shè)備運(yùn)行、人員走動、交通運(yùn)輸?shù)?引起的隨機(jī)振動，其受到振源類型、振動傳播路徑以及傳播路徑上的巖土結(jié)構(gòu)等特性影響[3]。目前，國際上采用VC標(biāo)準(zhǔn)來對振動敏感設(shè)備進(jìn)行振動評價，是一組標(biāo)記為從VC-A到VC-G的1/3倍頻程速度譜曲線，每一條曲線代表不同環(huán)境下的振動容許值，有的大型精密設(shè)備工作時對環(huán)境振動的要求很高，需達(dá)到VC-F甚至VC-G[4]。隨著科學(xué)儀器發(fā)展的精密化，新的環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展，以達(dá)到精密儀器的振動控制要求。

而振動控制的目的在于通過隔振或減振設(shè)備將地面?zhèn)鬟f的振動進(jìn)行實(shí)時衰減，以達(dá)到儀器所要求的振動容許值。對于微振動隔振系統(tǒng)，目前主要采用主動隔振[5]、被動隔振[6]以及主動隔振和被動隔振相結(jié)合[7]等。關(guān)于被動隔振效果的評價，主要是采用測量振動(位移、速度或加速度)之比。本文作者設(shè)計了一套微振動低頻測量評估系統(tǒng)，通過沖擊力錘、低頻拾振器、MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀和專業(yè)隔振平臺特性分析軟件，通過測量氣浮隔振平臺臺面及桌角附近的微振動加速度、隔振平臺的固有頻率等，進(jìn)而評價氣浮隔振平臺的隔振效果。

1 傳遞特性模型

1.1 試驗對象

此次測量以某氣浮隔振平臺為試驗對象，常被用于光學(xué)測量、精密檢測和集成電子等領(lǐng)域。其中隔振器由隔振橡膠和空氣彈簧組成，具有隔振性能良好、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)[8]。氣浮隔振平臺基本參數(shù)見表1。

表1 氣浮隔振平臺基本參數(shù)

1.2 氣浮隔振平臺傳遞率特性

氣浮隔振平臺可簡化為圖1所示的單級隔振系統(tǒng)，表示地基上的激勵通過隔振系統(tǒng)傳遞到受控對象上。隔振器可以看作是理想彈簧和理想阻尼構(gòu)成的無質(zhì)量元件，并聯(lián)在質(zhì)量無限大的地基剛體上。

圖1 單級隔振系統(tǒng)

對受控對象接受傳遞激勵建立運(yùn)動微分方程：

(1)

其中：m為受控對象的質(zhì)量；x為受控對象的絕對位移；R為系統(tǒng)的阻尼；k為系統(tǒng)的剛度；y為地基絕對位移。

求解微分方程可得地基的振動傳遞函數(shù)H(ω)為

(2)

在該系統(tǒng)中隔振傳遞函數(shù)T(ω)=H(ω)，則傳遞率為

(3)

其傳遞率曲線如圖2所示,可以看出:隔振性能主要跟ωn和ξ參數(shù)有關(guān),即系統(tǒng)的剛度特性和阻尼特性。

圖2 氣浮隔振平臺傳遞率曲線

2 微振動測量試驗

2.1 試驗儀器

此次試驗加速度傳感器采用可以測量超低頻(低至0.5 Hz)的941B型拾振器,不僅可以完成工程結(jié)構(gòu)如橋梁、房屋、大壩等的脈動測量,還可以完成隔振平臺的微振動測量,符合此次測量的精度要求。

信號采集與處理采用某公司生產(chǎn)的MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀,它支持振動、噪聲等多種信號的同步采集,具有超低頻、高精度采樣等特點(diǎn),本底噪聲低于1 mV;且具有專業(yè)的隔振平臺特性分析軟件,可以實(shí)現(xiàn)微振動信號與噪聲干擾信號的分離,實(shí)時獲取微振動信號曲線,分析信號的時域、頻率等數(shù)據(jù)。其部分系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 MI-7208系統(tǒng)參數(shù)

2.2 試驗方法

環(huán)境微振動測量可以使用多種方法進(jìn)行測量[9-11]，本文作者采用傳感器直接測量法[12]。隔振性能和固有頻率測量試驗采用力錘激勵法。由于力錘激勵屬于寬頻帶激勵，可實(shí)現(xiàn)一次錘擊在頻帶內(nèi)測量多個固有頻率[13]，該方法試驗簡單，所需設(shè)備少。力錘激勵測量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 錘擊法測量系統(tǒng)

具體測量流程為：使用力錘在氣浮隔振平臺桌角附近的地面進(jìn)行敲擊，保證每次敲擊激振力大小基本相等、錘擊位置基本保持一致。941B拾振器獲取激勵響應(yīng)后，通過MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行時域顯示和頻率響應(yīng)分析。在時域信號中可以直接讀取振動加速度的最大值，而頻率響應(yīng)分析可以獲得氣浮隔振平臺水平和垂直方向上的固有頻率。現(xiàn)場測量系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測量系統(tǒng)

2.3 傳感器布置

此次測試使用已標(biāo)定且在有效期范圍內(nèi)的高精度環(huán)境微振動測量分析系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，測量范圍為0.5～30 Hz。測試前參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 51076—2015《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》，并結(jié)合實(shí)驗室現(xiàn)場環(huán)境及設(shè)備布置等情況，制定了測點(diǎn)布置方案。

測量地面本底微振動時使用一個垂直941B型拾振器和兩個水平941B型拾振器，在隔振平臺桌角附近分別按照x、y、z方向進(jìn)行布置，如圖5所示。測量隔振效果時將傳感器按照圖5所示分別布置在地面和臺面。而測量固有頻率時，將傳感器按照垂直和水平方向上布置在臺面中心處。

圖5 地面本底振動測量傳感器布置

3 試驗結(jié)果及分析

測量微振動時，雖然已經(jīng)避免實(shí)驗室內(nèi)其他設(shè)備運(yùn)行和人員走動帶來的激勵干擾，但是距離試驗場地不遠(yuǎn)處有振動臺工作以及有車輛經(jīng)過，研究表明交通運(yùn)輸對微振動測量影響較大[14]，所以此次測試已選在其他環(huán)境激勵干擾較小的時段進(jìn)行。

3.1 地面本底微振動測量

圖6—8為無力錘激勵下的地面本底微振動在x、y、z三個方向上的時域信號。x方向上最大本底微振動加速度為0.003 m/s2，y和z方向上分別為0.002、0.004 m/s2?？梢钥闯觯旱孛姹镜渍駝哟笮≡?.3×10-3g附近，振動量級較小。

圖6 x向地面本底微振動

圖7 y向地面本底微振動

圖8 z向地面本底微振動

同時注意到氣浮隔振平臺的充氣裝置會不定期運(yùn)行，其產(chǎn)生的噪聲較大，對地面微振動產(chǎn)生一定的影響。圖9為充氣裝置開啟時地面本底微振動在x、y、z三個方向上的時域信號。

圖9 開啟充氣裝置時x、y、z向地面微振動

其x、y、z方向最大本底微振動加速度分別達(dá)到了0.003、0.005、0.018 m/s2，相比于充氣裝置未開啟時，z方向上振動量級增大了10倍左右，對地面微振動影響較大，所以后續(xù)對隔振平臺隔振性能和固有頻率的測量都選在充氣裝置未運(yùn)行時段進(jìn)行，以保證激勵源的相對單一。

3.2 隔振性能測量

采用力錘敲擊氣浮隔振平臺桌角附近的地面，該振動激勵通過隔振平臺傳遞至臺面?zhèn)鞲衅鳎ㄟ^對比地面與臺面兩傳感器所采集到的時域信號，可得到振動衰減程度。圖10—12分別為力錘敲擊地面的時域信號、z向地面及臺面?zhèn)鞲衅鞑杉恼駝蛹铀俣葧r域信號。

圖11 z向地面微振動

圖12 z向臺面微振動

其x、y方向上的地面和臺面振動大小如表3所示。

表3 x、y、z向振動加速度衰減

從表3可以看出：氣浮隔振平臺對z方向上的振動抑制最為明顯，振動加速度經(jīng)過隔振平臺后衰減了25 dB，傳遞率T為5.6%。x、y向地面振動加速度較無激勵時相比增長不大，這是因為錘擊地面時，力錘近似垂直敲擊地面，在水平方向上力的分量較小，引起振動加速度變化不大，且氣浮隔振平臺在垂直方向上剛度最大，故隔振效果最佳。

3.3 固有頻率測量

錘擊法測量固有頻率操作簡單，一次錘擊可得到一定頻率范圍內(nèi)的多階固有頻率[15]，此次試驗將采樣頻率設(shè)置為80 Hz，只考慮氣浮隔振平臺的低階固有頻率。圖13為氣浮隔振平臺垂直和水平方向上的頻率響應(yīng)曲線，其中曲線頂點(diǎn)所對應(yīng)的頻率即固有頻率。

圖13 頻響曲線

根據(jù)垂直和水平方向頻率響應(yīng)曲線，氣浮隔振平臺的垂直和水平基頻分別為2.5、2.188 Hz，低頻段曲線相對光滑，由于測試時氣浮隔振平臺上已安裝有其他儀器且無法拆卸，所以導(dǎo)致曲線后面出現(xiàn)較小起伏，但基頻大小與基本參數(shù)相比已較為吻合，測量結(jié)果可靠。

4 結(jié)論

通過對氣浮隔振平臺及地面微振動的測量來獲取其隔振性能和固有頻率，主要得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)計的微振動低頻測量評估系統(tǒng)測量速度快、精度高，滿足對低頻微振動信號的測量需求，MI-7208型智能便攜式數(shù)據(jù)采集儀搭配專業(yè)全頻段微振動分析軟件可完成對環(huán)境低頻微振動的測量和評估。該測量系統(tǒng)后續(xù)也可用于對半導(dǎo)體、光學(xué)等對地基振動等級要求為VC-D及更高的精密行業(yè)進(jìn)行振動等級評估。

(2)在測量場地附近振動臺未運(yùn)行及無汽車經(jīng)過時，該場地的本底微振動等級指標(biāo)已低于VC-A，尚無法滿足精密光學(xué)實(shí)驗需求，故需要安裝氣浮隔振平臺進(jìn)行隔振處理。

(3)氣浮隔振平臺在垂直方向剛度最大、隔振效果最佳，其振動衰減可達(dá)25 dB。

(4)氣浮隔振平臺垂直和水平基頻均在2 Hz附近，臺面上已安裝設(shè)備對其影響較小。隔振臺不僅要考慮高頻段隔振，還要考慮低頻段共振問題，因此在使用時因盡量避免低頻(如交通運(yùn)輸?shù)?干擾。