机械振动
隔离晃动的地面 — 隔振
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 的共振是直接推质量,但现实中是地面在晃——路面颠簸、地震、隔壁的机器。关键是传递率 TR = XY,即基础晃 Y 时质量晃 X 的比值。而且令人意外,只有当驱动频率超过固有频率的 √2 倍,晃动才开始减小(隔振)。
不要去推质量,而是晃地面。改变驱动比 r = ωωₙ,会看到三种情形:慢时(r≪1)质量原样跟着地面(TR≈1);r=1 附近共振让它晃得更厉害(TR≫1);快时(r 大)质量几乎不动(TR<1,隔振)。
传递率曲线就是地图。拖动 r。r=1 处升起共振峰,r=√2 处(与阻尼无关)恰好穿过 TR=1。只有它右边、r>√2 的绿色区域里 TR<1——才是真正的隔振区。
那么如何隔振?驱动频率是固定的,所以把支座做软(刚度 k↓ → ωₙ↓),把 r 推过 √2。调低刚度——途中会经过一次共振(r=1)而大幅晃动,但再软一些,质量就安静下来。隔振的诀窍是"软支座"。
阻尼是双刃剑。调大阻尼比 ζ:共振峰下降,但在隔振区(r>√2)里 TR 反而上升——隔振变差。所有曲线都交于 r=√2、TR=1 这一点,正是证据。所以支座只给到足以熬过启停时共振的阻尼,再多就避免。
同一个传递率支配两个方向。翻看这些例子——汽车悬挂(路面→车身)、发动机或洗衣机的支座(机器→地面,此时是力传递率)、精密仪器与显微镜的隔振台(地面→设备)。无论是保护质量不受地面影响,还是保护地面不受机器影响,都是同一条曲线、同一个处方——降低 ωₙ。
实际应用隔振是共振(A4)的表亲,只是晃的是基础而非施加的力。关键是传递率 TR = XY = √[(1+(2ζr)²)((1−r²)²+(2ζr)²)],r = ωωₙ。r≪1 时 TR≈1(跟随),r=1 时共振,r=√2 时与阻尼无关恒为 TR=1,只有 r>√2 才有 TR<1(隔振)。所以隔振的黄金法则是把 ωₙ 降得足够低——用软支座把驱动频率推到 √2·ωₙ 之上。阻尼是双刃:它压低共振峰,却使隔振区变差,所以只给到足以熬过启停时共振即可。位移传递率=力传递率,因此保护设备不受晃动地面影响,与别把机器振动传给地面,是同一个问题。汽车悬挂、发动机支座、洗衣机、地震隔震、显微镜隔振台,都落在同一条曲线上。
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