大科學工程項目,如何減振是個問題

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古希臘哲學家赫拉克利特（Heraclitus，約公元前540年-前480年）曾說過：宇宙通過模式同我們說話。

事實上，任何實體都存在振動模態，任何系統的運行都存在相應的工作環境，而這環境中必然會存在各種干擾振源。

圖1 周圍環境各種干擾源及其頻率範圍

一般的工程設計都會在如下3個方面減少振動的影響：

1消除振源：

如運動部件的動平衡、運動機構的間隙消除等。

2振動隔離：

對於振源隔離一般可以採用兩種有效隔離的方式，振源和使用裝備的振動隔離，即從源頭上和終端加以隔離，這也是絕大多數科研基礎設施建設過程中所採用的常規方法。

3減小響應：

即減小振動的響應，主要是指減小振動的幅度，一般可以採取避開振源的共振峰；增加阻尼耗散振源的能量；在設備和裝置上通過彈簧附加質量(或其他等價方式)，產生附加運動，耗散振源的能量。

在3個具體措施中，第一種是減少機構或器件本身內部的振源；第二種是對已知振源的隔離，這兩點是工程設計的基礎工作。對於減小系統的振動響應，則是工程設計中需要重點考慮的因素，也是本文討論的重點。

當一個結構受干擾因素影響，結構上的各點會有特定的形態，相互之間為了達到平衡則會形成結構的振動模態，用來描述結構振動的基本形式。

有一種假設的理想鋼體結構，結構上的各點不受外界干擾的影響，結構的模態是整體的平動，見圖2中的直線，即為理想剛體直線。但在實際工程中，對實際結構測試所得的柔度曲線往往不是和理想剛體直線完全擬合的。

通過觀察和分析實際柔度曲線和理想柔度曲線的偏差，可以十分直觀地看出剛體的性能。各點峰值與理想柔度相應位置的差值越小，則剛體的性能越好。

圖2 理想剛體及蜂窩結構光學平台檯面柔度曲線（藍色為理想剛體的柔度曲線，紅色為實際剛體測得的柔度曲線）

對於大科學工程項目中的複雜系統或結構的振動問題，僅依靠設計是難以徹底解決的，這樣對現存的結構出現不符合要求的振動，一個重要的方法就是採取減振的措施，屬於振動控制研究的範疇。

振動控制可以分為兩類：主動控制和被動控制。

1主動控制：

是把控制理論、計算機技術同振動理論與測試技術相結合形成的一項新技術，其整個控制的關鍵是控制演算法，根據不同的演算法延伸出不同的控制方法。

2被動控制：

可以通過結構的剛度、諧振頻率和阻尼來進行控制。

結構剛度的控制方法主要表現為兩方面：

一方面，對於一定的系統結構，當材質和製造方式確定的情況下，剛度可以通過不同的結構設計來實現剛度的提高。例如蜂窩孔結構就是一種剛度質量比最優化設計的結構。

一般情況下，蜂窩結構要比同樣尺寸實心構建的自重變形小一半。所以採用蜂窩結構的基礎平台本身的頻率都可以做得很高，很多情況下，精密器件的支撐體都用蜂窩結構平台。蜂窩平台還可以根據具體設計，組合成設計要求的形狀。圖3 為平台拼接的示意圖。

另一方面，對已經存在的結構可以通過附加結構來增加或減小約束，以改變整個系統的剛度。

對於阻尼的控制方法，主要利用其有耗能的作用來達到減振降噪的目的，其耗能機理就是把振動能量轉化成可以耗損的能量(如熱能)。當系統受到的干擾振動的頻率與系統的固有頻率接近時，利用阻尼能有效的削弱諧振幅值以減小結構各部分之間的相對運動，提高系統結構的整體的穩定性。

常用的方法是調諧阻尼減振，具體可分為窄帶調諧阻尼和寬頻調諧阻尼。寬頻調諧阻尼雖然沒有窄帶調諧阻尼的隔振效果有效，但是這種阻尼方式能夠包含幾個倍頻的頻率範圍，綜合提高結構的性能。所以在阻尼減振方法的選擇上，需結合實際應用選擇合適隔振方法。

圖3 平台端面拼接結構

關於諧振頻率，對於結構穩定性控制最需要關注的頻段也就是在諧振頻率附近這一部分。當干擾頻率與諧振頻率相近時，會使結構有較大的偏移量，反應在柔度曲線上即出現諧振幅值。

在工程中，這個問題也就是我們所談的如何有效避免共振這一現象。這樣對結構的穩定性設計可以基於如何權衡質量和剛度之間的平衡點，設計的最終目標是使系統結構有較高的諧振頻率和較小的諧振幅值，向理想剛度直線趨近。

圖4 檯面振動引起的光路振動

當工作檯面產生形變或振動，其上的光學元件就會發生偏擺，從而影響光路，影響系統的正常工作。圖4即為實際過程的形象說明示意圖。所以，圍繞工程的穩定性設計，可以總結為如下幾點：

科學工程或實驗設施要有一個具有一定剛性或大阻尼的基礎，如建築的防振地基，支撐器件的平台、桁架等。但是，目前很多國內出售的平台沒有掌握和領會平台設計的要點，採用了形似的焊接結構，這樣的剛結構平台為了提高自身頻率，重量是相同規格光學平台的2-3倍，剛度質量比小；鋼結構平台內部沒有阻尼減振結構，從本質上決定了不能滿足精密工程的需求；

一般高頻振動容易衰減，隔振器的設計主要是隔離低頻雜訊，超低頻隔離一般要採用主動隔振措施，本文沒有涉及，將在後續文章中論述；

運動部件的設計，要得到高穩定性，其自身的頻率要高，這與機構選型直接相關。國內外已有眾多專利論述。

總之，穩定性問題實質上是一個如何控制微小振動的問題，技術實質是減少響應和振動傳輸通道的衰減與隔離。

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