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机械振动

隔振 是什么

基础晃动时响应比为传递率 TR=X/Y,隔振(TR<1)需 r>√2,所以降低 ωₙ(软支座),而阻尼是双刃

A4 的共振是直接去推质量,可现实里晃动的是地板。路面的坑洼、地震、旁边转着的机器都是这样。基础晃了 Y、质量晃了 X 的那个比,也就是传递率 TR = XY,才是核心。驱动频率必须超过固有频率的 √2 倍,晃动才会变小,隔振才开始。在那条边界之前,地板的运动反而会变大。

不去推质量,改为去摇地板。改变驱动比 r = ωωₙ,会露出三件事。慢的时候(r≪1)质量原样跟着地板(TR≈1),靠近共振(r=1)会晃得更大(TR≫1),快的时候(r 大)质量几乎不动(TR<1,隔振)。地板越快,质量越留在原处。

传递率曲线就是地图。移动 r,在 r=1 处共振峰升起,在 r=√2 处不论阻尼都精确穿过 TR=1。只有它的右边,r>√2 的区间,才打开 TR<1 的真正隔振。涂成绿色的那一侧,就是能被保护的区域。

那要怎样隔振?驱动频率已经定了,所以把支承做软,刚度 k↓ → ωₙ↓,把 r 推过 √2。刚度下降的途中会经过一次共振(r=1),晃得很大,再软下去质量就安静了。隔振的秘诀是柔软的支承。越软就越安静。

阻尼是一把双刃的工具。增大阻尼比,共振峰会降低,可是在隔振区间(r>√2)里 TR 反而上升,隔振变差。所有曲线都在 r=√2 且 TR=1 的那一点相遇,就是证据。所以支承只给启动和停机时扛得住共振的那一点阻尼,再多就避开。

同一个传递率管着两个方向。把例子翻过去,会看到汽车悬架(路面→车身)、发动机和洗衣机的支承(机器→地板,这里传的是力)、精密仪器和显微镜的隔振台(地板→设备)。无论是从地板保护质量,还是从机器保护地板,曲线相同,处方也相同。把固有频率 ωₙ 降低就行。这样就够了。

实际应用振动隔振是共振(A4)的近亲。不同的是,晃的不是力,而是地板。核心是传递率 TR = XY = √[(1+(2ζr)²)((1−r²)²+(2ζr)²)],r = ωωₙ。若 r≪1,则 TR≈1,质量跟着地板;若 r=1,就是共振;若 r=√2,则不论阻尼都是 TR=1;只有 r>√2,才有 TR<1 的隔振。所以隔振就是把固有频率降得足够低,用柔软的支承把驱动频率送到 √2·ωₙ 之上。阻尼是双刃的,它压低共振峰,却让隔振区间变差,所以只给通过启动和停机的最小一份。位移传递率 = 力传递率,从晃动的地板保护设备,和别让机器的振动进到地板,是同一个问题。悬架、发动机支承、洗衣机、隔震和显微镜隔振台,都在同一条曲线上。
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