12. 隔振 12.1 引言 高振动水平会导致机器故障，以及令人不快的噪音幅度。建筑物中一个常见的不良噪音来源是安装在地板或墙壁上的机器的振动。 显然，安装振动机器的最佳位置是在底层。不幸的是（但对于噪音控制顾问来说是幸运的），这并不总是可行的。一个典型的问题是安装在屋顶或地面以上的旋转机器（如泵、空调压缩机、鼓风机、发动机等）。问题通常在振动源的附近最为明显。 然而，机械振动可以通过非常迂回的路线在建筑物的结构中进行长距离传播，有时会在距离震源数百英尺的地方重新出现。 一个相关的问题是将对振动敏感的机器与建筑物中正常发生的干扰（汽车或公共汽车的交通、关门、人流、电梯......）隔离开来。敏感机器的例子包括手术显微镜、电子设备、激光器、核磁共振成像装置、扫描电子显微镜和计算机磁盘驱动器。
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图1显示了一个常见的振动源的例子，一个重达20,000磅的大型往复式空调压缩机，安装在屋顶上。
在压缩机正下方的房间里，测量到了压缩机旋转频率的倍数，主要是60和120赫兹的恼人噪音水平。不管出于什么原因（我并不想开始这个话题......），建筑师选择将该设备安装在屋顶跨度的中间，即在支撑柱之间的中点。 此外，这种类型的压缩机（往复式）是出了名的高振动水平。离心式或涡旋式压缩机要安静得多，但价格更贵（一分钱一分货！）。 振动问题也可以很好地用我们之前用来描述噪声控制问题的来源--路径--接收器模型来描述。
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来源：机器内部产生的机械或流体扰动，如不平衡、扭矩脉动、齿轮齿牙啮合、风扇叶片通过等。这些典型的发生频率是机器旋转频率的整数倍。 路径：干扰传到接收器的结构或空中路径。 接收器：响应系统，通常具有许多固有频率，这些固有频率可能会被来源产生的振动频率激发。(Murphy说，系统的固有频率将始终与激励频率一致。） 可以针对这些领域中的任何一个或全部来解决问题。 特定应用的最佳选择将由物理定律，您的才智和费用所决定。 参考资料： 关于隔振的其他信息来源包括: 制造商的技术数据 - 检查网页或目录数据表，一些**商包括:
- Mason Industries
- Barry ControlsKinetics
ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineering) Applications Handbook, 1999. 参见附录. Handbook of Acoustical Measurements and Noise Control, Cyril M. Harris, McGraw Hill, 1991. Noise and Vibration Control Engineering, L. Beranek editor, John Wiley and Son, 1992, pp 429-450
12.2 可能的解决方案 解决振动问题的最好办法是首先避免振动。好设计远比建立一个糟糕的设计，并在以后不得不修复它的成本效益更高。解决任何振动问题好的解决方案包括以下步骤。 1) 通过实验方法，制造商数据或两者的组合来表征系统参数（质量，刚度，阻尼）。 2) 采用简单的总括参数模型建立系统动力学模型。 a) 识别固有频率，寻找与激励频率的重合点。 b) 如果激发力和频率已知，可以计算出系统响应。 3) 使用该模型评估系统参数变化的影响。 振动解决方案 - 来源 1) 重新安置机器 - 将机器放置在可能坚固的地基上（最好是在地面上），并尽可能远离潜在的接收器 2) 用更高质量或不同类型的机器替换机器，更安静（可能更贵） 3) 更改机组的运行速度，避免与结构共振相吻合 4) 平衡旋转元件， 5) 增加一个调谐的减震器 6) 使用主动振动控制 振动解决方案 - 路径 使振动传递最小化通常涉及使用隔离弹簧和/或惯性块。基本原理是使电机在其基础上的固有频率尽可能地低于激励频率。这种情况下的数学原理和隔振器选择过程将在下一节讨论。 振动解决方案–接收器 1）更改系统的固有频率，以避免与激励频率重合。这可以通过增加加强筋（提高固有频率）或通过增加质量（降低固有频率）来实现。 2）增加结构阻尼。
12.3 隔振器（Vibration Isolators） 考虑一台用螺栓固定在刚性地板上的振动机器(图2a)。传递到地板上的力等于机器中产生的力。传递的力可以通过添加悬挂和阻尼元件(通常称为隔振器)来减小，如图2b所示，或者直接添加所谓的惯性块inertia block，即大质量块(通常是现浇混凝土块) ，直接连接到机器上（图2c）。 另一种选择是增加一层质量（有时称为抗震质量seismic mass，也是一整块现浇混凝土）和悬挂（图2d）。
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图 2 隔振系统：a)机器用螺栓固定在刚性基础上 b)支撑在隔振弹簧上，刚性基础 c)机器连接在惯性块上 d)支撑在隔振弹簧上，非刚性基础(如楼板)；或机器在隔振弹簧上，抗震质量和二级隔振弹簧上。
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图 3 粘性阻尼单自由度系统的力或位移传递率
图3所示为传递率与频率比(激励频率与固有频率之比)的关系。当激励频率大于1.4 fn时，就会出现振动隔离（也就是T<1）。对于最小的传递率（最大的隔离度），激励频率应尽可能高于共振频率。共振以上的传递率的斜率为-20dB/decade。 考虑阻尼影响的传递率为：
其中： 阻尼比的典型值，对于钢来说ε是0.005~0.01，对于橡胶是0.05~0.1。 在共振附近加入阻尼的效果最大，降低了振动幅度。阻尼的一个奇怪的效果是，它导致频率>1.4 fn时振幅增加。 示例： 1) 计算一个20,000磅的冷水机组在60和120赫兹下的透射率，该机组由8根弹簧支撑，静态变形为3英寸。 答案是：
Frequency - Hz
r
T
dB
% Isolation
60
60/1.8 = 33.33
0.0009
30.5
99.910%
120
120/1.8
0.00022
36.6
99.978%
2) 一台重达200磅的手术显微镜由四根刚度为25磅/英寸的弹簧挂在天花板上。天花板在2赫兹（建筑物的典型共振频率）下的振动幅度为0.05毫米。显微镜的振动有多大？ 答案是：r = 0.903，|X/Y|=5.45，X=0.273mm (原文：we have amplification，不知道怎么翻译，可能是：我们故意放大了这个值)典型的隔振器采用螺旋弹簧提供刚度，并采用弹性体层（如氯丁橡胶）提供一些阻尼。其他类型的隔振器则使用固体弹性元件来提供刚度和阻尼。图4和图5显示了一些市售的隔离器。隔离器可用于拉伸应用（用于悬挂设备，如管道）或压缩。当需要的刚度比螺旋弹簧所能获得的刚度更低时，可以采用气动弹簧。气动弹簧的刚度由其充气压力控制。
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图 4 Mason Industries Inc.的现成隔振产品
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图 5市面上可买到的Barry Controls弹性体隔离器示例
12.4 隔离器选择 隔离器通常由其静态挠度 （达文中：受力件在荷载作用下的最大变形）来指定，或者说当机器的重量放在隔离器上时，隔离器的挠度有多大。这相当于指定了它们的刚度，而且还有一个额外的好处，就是便于计算系统的固有频率。螺旋弹簧隔离器的静态变形量最大为3英寸。如果需要更多的灵活性，可以使用空气弹簧。系统的固有频率（假设为单自由度）可以通过以下方式计算：
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Static Deflection (inches)
0.5”
1.0”
2.0”
3.0”
Natural Frequency - Hz
4.43 Hz
3.13 Hz
2.21 Hz
1.8 Hz
例子：一根400磅的风管要挂在天花板上。需要在所有大于100Hz的频率下达到30dB的隔离效果。如果使用四个弹簧，请确定每个隔振弹簧的所需刚度和静态变形。 (答案：假设所有四个弹簧的载荷相同，K=102 lb/in, =0.98") 12.5 选择隔振器的重要考虑因素 1) 机器位置 · 尽量远离敏感区域 · 并尽可能在刚性的基础上(在地面上是最好的) 2) 正确的隔离器装置尺寸 · 正确的刚度（由静态挠度指定，一般来说弹性越大越好） · 足够的行程，以防止在冲击载荷期间或在系统启动和关闭期间触底 3) 隔离器的位置--隔离器的负荷应相等，机器应保持水平。 4) 稳定性--应采用缓冲器限制侧向运动。弹簧的直径也应大于其压缩高度。隔离器弹簧应占用较宽的空间，以保证稳定性。 5) 可调性--弹簧应有自由行程，不应完全压缩，也不应碰到机械止动装置 6) 消除振动短路--（避免或消除）机器与基础之间任何绕过隔离器的机械连接，如管道、导管、固定弹簧、调节不良的阻尼器或机械止动器。 7) 故障安全操作--如果弹簧断裂或泄气，您必须有机械支撑，使机器可以靠在其上而不会倾倒。 隔离器选择的其他指导可以在ASHRAE应用手册中找到，已列入附录。
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英文原版网页
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翻译：达文中 / DesignKnowHow
日期：2020-12-27
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