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典型振動源與傳遞本節重點探討容納精密設備的建筑物中的振動問題，如科學測量系統。建筑物中的主要振動源包括：列車、大型車輛（如卡車）、鄰近設備和機械（包括暖通空調系統），以及極少數情況下的地震事件。另一重要來源是設施周邊的大型施工活動，特別是打樁作業。諸如VC曲線這樣的指標旨在確保敏感設備能夠在存在上述振動源的情況下仍能正常工作。在某些情況下，工程師需要評估特定的建筑位置是否符合給定的VC曲線的要求。為此，工程師必須評估：各種振動源的強度和頻率成分各種源信號沿地面傳播及進入建筑物的預期衰減量隔振安裝（如采用）的影響在早期設計階段，邊界條件用于估算最壞情況下的振動水平。如這些水平值超出目標VC曲線（或其他相關指標），則需進行更詳細的評估，可能包括在目標設備位置與關鍵振源點或傳遞路徑上的中間點之間進行傳遞函數的測量。通過地面傳播振動測量可估算振源強度，結合傳遞函數可得到預期振動水平的詳細預測。這些預測常用于選擇最佳的設備位置，并決定是否需要采用昂貴的隔振安裝。圖6為大型地震事件附近地面水平振動的典型時間歷程，以位移、速度和加速度的形式顯示。盡管地震事件強度巨大，但其特征具有典型性，表現為持續數秒的強瞬態現象。 圖6  典型地震事件的振動加速度（上）、速度（中）和位移（下）表1摘自文獻[8]，匯總了施工活動（包括重型卡車運輸）產生的典型振動水平。圖7同樣摘自[8]，展示了在軌道不同距離處多趟列車產生的振動水平的實測值。其顯著差異不僅源自列車類型的不同，更重要的是地面傳導存在差異。我們腳下的土地由多層成分各異的土壤構成、千差萬別，因此波傳播速度也各有不同，有時還會產生顯著衰減。這些土壤層的下面是堅硬的基巖。基巖支持振動波的快速傳播，且衰減極小。不同地點之間的地質差異導致顯著的傳播衰減現象的產生。這一點在估算建筑物內振動水平時必須予以考慮。圖8比較了同一列車在三個不同的國家（法國、意大利和瑞典）地面振動水平隨距離的變化情況。我們添加了圖3所示的通用65 VdB要求，該值約對應圖5中的VC-A。滿足要求的距離在法國為150英尺、在意大利為250英尺，而在瑞典則需要建筑物距離鐵軌超過500英尺才能滿足要求。 表1  施工設備和卡車運輸的典型振動源強度（摘自[8]） 圖7  列車距軌道不同距離處的振動源強度（摘自[8]）  圖8 在不同國家，列車距軌道不同距離處的振動源強度（摘自[8]） 04加速度計的選型對高精密制造設備而言，VC-A標準過于寬松。為評估是否符合更嚴格的振動要求，需使用高靈敏度加速度計。如圖9所示，如PCB® 352C03這樣的標準型號能夠測量低于VC-B水平的振動。圖9中，加速度計的本底噪聲（來自其規格表。本底噪聲和相關限值的指導見[9]）以1/3倍頻程的RMS速度值得出（與VC曲線格式一致）。最低標準的VC曲線是VC-G。它規定所有頻率下都采用恒定的0.781 μm/s速度限值。NIST-A是更為嚴格的振動要求，曾用于美國國家標準研究院（NIST）先進測量實驗室的設計。NIST-A曲線要求在20 Hz以下保持恒定的25 nm位移限值。還記得前文討論過的頻率依賴關系嗎？恒定位移要求導致NIST-A速度曲線隨頻率降低而呈下降趨勢。圖10對PCB®新型超高靈敏度加速度計393C31與VC-G和NIST-A標準進行了比較。您可使用該加速度計在全部頻率下評估VC-G合規性，在低至0.5 Hz的頻率下評估NIST-A合規性。  圖9 PCB® 352C03本底噪聲與VC-B振動限值的對比 圖10 PCB®單軸地震型加速度計本底噪聲與VC-G、NIST-A限值的對比 05多軸指標與加速度計動態剛度也是經常用到的振動指標。使用安裝于地面或地基上的加速度計，并通過大型激振器或力錘施加已知的輸入力，就可以測量動態剛度。典型的動態剛度指標如表2所示。表中給出了三個方向上的剛度數值，還給出了旋轉剛度（動態力矩除以旋轉角度）。評估地基是否滿足此類要求需要使用不止一個加速度計。三軸加速度計（如PCB®的新型地震型加速度計354A12）為測量多個地基動態剛度提供了一種極為簡便的方法。通過在兩個水平軸向按已知間距放置三個三軸加速度計，工程師就可以計算和指標比對所需的全部傳遞函數。請注意：許多工程師都曾通過將三個單軸加速度計安裝在金屬立方塊上來模擬三軸測量。若操作謹慎，這種方法是可以接受的。然而，如果加速度計沒有正確安裝（最佳安裝方法見[10]），或者其相對方向未嚴格保證正交（按右手法則，彼此成90度），則極易導致測量結果產生顯著偏差，尤其在估算旋轉剛度時。 表2 典型的半導體設備基礎最小動態剛度要求示例三軸加速度計的關鍵性能指標之一是串擾，即在相對于所施加力的離軸方向上產生的最大信號量。例如，當沿X方向驅動系統時，在Y方向上會測到多少虛假振動？每個PCB®傳感器在參數表中都給出了橫向靈敏度，是對這種效應的定量描述。三軸加速度計需要經過仔細的組裝，以最大程度減小串擾。 06結論滿足振動指標比滿足聲學指標更具挑戰性。聲學上的要求通常僅限于規定可接受的最大聲壓級，而振動指標可能要設定位移、速度和加速度等限值，還可能需要設定動態剛度限值。這些指標經常需要在三個方向上設定，有時還包括旋轉。不同工程領域對振動指標的表述還可能存在差異。這使得測試工程師很難確保全面合規。在精密制造領域，最常用的指標當屬速度標準（VC）曲線。該曲線定義了一系列在一定頻率范圍內保持恒定的振動限值，對應不同的振動水平。PCB®的地震型加速度計能夠滿足嚴格的VC-G曲線要求。393C31等高靈敏度型號還能夠在0.5 Hz以上的頻率范圍內符合更嚴格的NIST-A標準。當需在多個自由度上指定動態剛度時，使用三軸加速度計是一個精準、方便的獲取全部所需測量數據的方法。