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典型振動(dòng)源與傳遞本節(jié)重點(diǎn)探討容納精密設(shè)備的建筑物中的振動(dòng)問(wèn)題，如科學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。建筑物中的主要振動(dòng)源包括：列車、大型車輛（如卡車）、鄰近設(shè)備和機(jī)械（包括暖通空調(diào)系統(tǒng)），以及極少數(shù)情況下的地震事件。另一重要來(lái)源是設(shè)施周邊的大型施工活動(dòng)，特別是打樁作業(yè)。諸如VC曲線這樣的指標(biāo)旨在確保敏感設(shè)備能夠在存在上述振動(dòng)源的情況下仍能正常工作。在某些情況下，工程師需要評(píng)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(píng)估：各種振動(dòng)源的強(qiáng)度和頻率成分各種源信號(hào)沿地面?zhèn)鞑ゼ斑M(jìn)入建筑物的預(yù)期衰減量隔振安裝（如采用）的影響在早期設(shè)計(jì)階段，邊界條件用于估算最壞情況下的振動(dòng)水平。如這些水平值超出目標(biāo)VC曲線（或其他相關(guān)指標(biāo)），則需進(jìn)行更詳細(xì)的評(píng)估，可能包括在目標(biāo)設(shè)備位置與關(guān)鍵振源點(diǎn)或傳遞路徑上的中間點(diǎn)之間進(jìn)行傳遞函數(shù)的測(cè)量。通過(guò)地面?zhèn)鞑フ駝?dòng)測(cè)量可估算振源強(qiáng)度，結(jié)合傳遞函數(shù)可得到預(yù)期振動(dòng)水平的詳細(xì)預(yù)測(cè)。這些預(yù)測(cè)常用于選擇最佳的設(shè)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(dòng)的典型時(shí)間歷程，以位移、速度和加速度的形式顯示。盡管地震事件強(qiáng)度巨大，但其特征具有典型性，表現(xiàn)為持續(xù)數(shù)秒的強(qiáng)瞬態(tài)現(xiàn)象。 圖6 典型地震事件的振動(dòng)加速度（上）、速度（中）和位移（下）表1摘自文獻(xiàn)[8]，匯總了施工活動(dòng)（包括重型卡車運(yùn)輸）產(chǎn)生的典型振動(dòng)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(chǎn)生的振動(dòng)水平的實(shí)測(cè)值。其顯著差異不僅源自列車類型的不同，更重要的是地面?zhèn)鲗?dǎo)存在差異。我們腳下的土地由多層成分各異的土壤構(gòu)成、千差萬(wàn)別，因此波傳播速度也各有不同，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生顯著衰減。這些土壤層的下面是堅(jiān)硬的基巖。基巖支持振動(dòng)波的快速傳播，且衰減極小。不同地點(diǎn)之間的地質(zhì)差異導(dǎo)致顯著的傳播衰減現(xiàn)象的產(chǎn)生。這一點(diǎn)在估算建筑物內(nèi)振動(dòng)水平時(shí)必須予以考慮。圖8比較了同一列車在三個(gè)不同的國(guó)家（法國(guó)、意大利和瑞典）地面振動(dòng)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(duì)應(yīng)圖5中的VC-A。滿足要求的距離在法國(guó)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(guò)500英尺才能滿足要求。 表1 施工設(shè)備和卡車運(yùn)輸?shù)牡湫驼駝?dòng)源強(qiáng)度（摘自[8]） 圖7 列車距軌道不同距離處的振動(dòng)源強(qiáng)度（摘自[8]） 圖8 在不同國(guó)家，列車距軌道不同距離處的振動(dòng)源強(qiáng)度（摘自[8]） 04加速度計(jì)的選型對(duì)高精密制造設(shè)備而言，VC-A標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于寬松。為評(píng)估是否符合更嚴(yán)格的振動(dòng)要求，需使用高靈敏度加速度計(jì)。如圖9所示，如PCB® 352C03這樣的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)能夠測(cè)量低于VC-B水平的振動(dòng)。圖9中，加速度計(jì)的本底噪聲（來(lái)自其規(guī)格表。本底噪聲和相關(guān)限值的指導(dǎo)見(jiàn)[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(biāo)準(zhǔn)的VC曲線是VC-G。它規(guī)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(yán)格的振動(dòng)要求，曾用于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究院（NIST）先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)。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(guò)的頻率依賴關(guān)系嗎？恒定位移要求導(dǎo)致NIST-A速度曲線隨頻率降低而呈下降趨勢(shì)。圖10對(duì)PCB®新型超高靈敏度加速度計(jì)393C31與VC-G和NIST-A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。您可使用該加速度計(jì)在全部頻率下評(píng)估VC-G合規(guī)性，在低至0.5 Hz的頻率下評(píng)估NIST-A合規(guī)性。 圖9 PCB® 352C03本底噪聲與VC-B振動(dòng)限值的對(duì)比 圖10 PCB®單軸地震型加速度計(jì)本底噪聲與VC-G、NIST-A限值的對(duì)比 05多軸指標(biāo)與加速度計(jì)動(dòng)態(tài)剛度也是經(jīng)常用到的振動(dòng)指標(biāo)。使用安裝于地面或地基上的加速度計(jì)，并通過(guò)大型激振器或力錘施加已知的輸入力，就可以測(cè)量動(dòng)態(tài)剛度。典型的動(dòng)態(tài)剛度指標(biāo)如表2所示。表中給出了三個(gè)方向上的剛度數(shù)值，還給出了旋轉(zhuǎn)剛度（動(dòng)態(tài)力矩除以旋轉(zhuǎn)角度）。評(píng)估地基是否滿足此類要求需要使用不止一個(gè)加速度計(jì)。三軸加速度計(jì)（如PCB®的新型地震型加速度計(jì)354A12）為測(cè)量多個(gè)地基動(dòng)態(tài)剛度提供了一種極為簡(jiǎn)便的方法。通過(guò)在兩個(gè)水平軸向按已知間距放置三個(gè)三軸加速度計(jì)，工程師就可以計(jì)算和指標(biāo)比對(duì)所需的全部傳遞函數(shù)。請(qǐng)注意：許多工程師都曾通過(guò)將三個(gè)單軸加速度計(jì)安裝在金屬立方塊上來(lái)模擬三軸測(cè)量。若操作謹(jǐn)慎，這種方法是可以接受的。然而，如果加速度計(jì)沒(méi)有正確安裝（最佳安裝方法見(jiàn)[10]），或者其相對(duì)方向未嚴(yán)格保證正交（按右手法則，彼此成90度），則極易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生顯著偏差，尤其在估算旋轉(zhuǎn)剛度時(shí)。 表2 典型的半導(dǎo)體設(shè)備基礎(chǔ)最小動(dòng)態(tài)剛度要求示例三軸加速度計(jì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一是串?dāng)_，即在相對(duì)于所施加力的離軸方向上產(chǎn)生的最大信號(hào)量。例如，當(dāng)沿X方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，在Y方向上會(huì)測(cè)到多少虛假振動(dòng)？每個(gè)PCB®傳感器在參數(shù)表中都給出了橫向靈敏度，是對(duì)這種效應(yīng)的定量描述。三軸加速度計(jì)需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)的組裝，以最大程度減小串?dāng)_。 06結(jié)論滿足振動(dòng)指標(biāo)比滿足聲學(xué)指標(biāo)更具挑戰(zhàn)性。聲學(xué)上的要求通常僅限于規(guī)定可接受的最大聲壓級(jí)，而振動(dòng)指標(biāo)可能要設(shè)定位移、速度和加速度等限值，還可能需要設(shè)定動(dòng)態(tài)剛度限值。這些指標(biāo)經(jīng)常需要在三個(gè)方向上設(shè)定，有時(shí)還包括旋轉(zhuǎn)。不同工程領(lǐng)域?qū)φ駝?dòng)指標(biāo)的表述還可能存在差異。這使得測(cè)試工程師很難確保全面合規(guī)。在精密制造領(lǐng)域，最常用的指標(biāo)當(dāng)屬速度標(biāo)準(zhǔn)（VC）曲線。該曲線定義了一系列在一定頻率范圍內(nèi)保持恒定的振動(dòng)限值，對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)水平。PCB®的地震型加速度計(jì)能夠滿足嚴(yán)格的VC-G曲線要求。393C31等高靈敏度型號(hào)還能夠在0.5 Hz以上的頻率范圍內(nèi)符合更嚴(yán)格的NIST-A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)需在多個(gè)自由度上指定動(dòng)態(tài)剛度時(shí)，使用三軸加速度計(jì)是一個(gè)精準(zhǔn)、方便的獲取全部所需測(cè)量數(shù)據(jù)的方法。
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