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,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 振动污染及其控制,第三章 振动污染及其控制,第一节 概述 第二节 振动基础第三节 振动的评价与标准第四节 振动控制技术第五节 减振材料与装置及其应用,二、,振动污染源,三、振动的影响,一、振动与振动污染,第一节 概述,一、振动与振动污染,（一）,振动,（二）,振动污染,定义：,（,1,）,任何一个可以用时间的周期函数来描述的物理量，都称之为振动。,（,2,）当一个物体处于周期性往复运动的状态，即可说物体在振动。,（一）,振动,振动现象,物理现象：,声、光、热等物理现象都包含振动；,生命和生活：,心脏搏动、耳膜和声带的振动是人体,的基本功能。,工程技术领域：,桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动,飞机和船舶在航行中的振动，,机床和刀具在加工时的振动，,各种动力机械的振动，,控制系统中的自激振动等。,声源振动带动相邻的介质质点，使之交替进行压缩和膨胀运动，由近及远向前推进的介质振动。,桥梁和建筑物在阵风或地震,激励,下的振动,声音的产生、传播和接收都离不开振动,振动污染：,振动超过一定的,界限,从而对人体的健康和设施产生,损害,对人的生活和工作环境形成,干扰,或使机器、设备和仪表,不能正常工作,。,（二）,振动污染,振动污染的特点,1.,主观性,：,是一种危害人体健康的感觉公害。,局部性：,仅涉及振动源邻近的地区。,瞬时性：,是瞬时性能量污染，在环境中无残余污染物，不积累。,振源停止，污染即消失。,3.,2.,振动,污染源,（一）工厂振动源,（二）工程振动源,（三）道路交通振动源,（四）低频空气振动源,自然振源,人为振源,地震、火山爆发等自然现象,。,自然振动带来的灾害难以避免，只能加强预报减少损失,。,二、,振动污染源,自然振动,察隅地震，整个村庄被抛起,火山爆发,工业振动源,：,旋转机械、往复机械、传动轴系、管道振动等，如锻压、铸造、切削、风动、破碎、球磨以及动力等机械和各种输气、液、粉的管道。,特征参数,：,常见工厂振源附近,面上加速度级：,80,140dB,；,振级：,60,100dB,；,峰值频率：,10,125Hz,。,（一）工厂振动源,工程振动源,：,工程施工现场的振动源主要是打桩机、打夯机、水泥搅拌机、辗压设备、爆破作业以及各种大型运输机车等。,特征参数,：,常见工程振源附近,振级：,60,100dB,。,（二）工程振动源,铁路振源,：,频率：一般在,20,80Hz,范围内；,离铁轨,30m,处的振动加速度级范围,85,100dB,，振动级范围,75,90dB,内。,（三）道路交通振动源,公,路振源,：,频率：一般在,2,160Hz,范围内，其中以,5,63Hz,的频率成分较为集中；,振级：多在,65,90dB,范围内。,低频空气振动是指人耳可听见的,100Hz,左右的低频,如玻璃窗、门产生的人耳难以听见的低频空气振动。,这种振动多发生在工厂。,（四）低频空气振动源,固定式单个振动源,如，一台冲床或一台水泵等,振动污染源,按形式分为,集合振动源,如，厂界环境振动，建筑施工场界环境振动,No,动态特征,定 义,示 例,1,稳态振动,观测时间内振级变化不大的环境振动,往复运动机械，如空压机、柴油机等；旋转机械类，如发电机、发动机通风机等,2,冲击振动,具有突发性振级变化的环境振动,建筑施工机械，如打桩机等；锻压机械，如冲床，纺锤等,3,无规则,振动,未来任何时刻不能预先确定振级的环境振动,道路交通振动、居民生活振动。如房屋施工，室内运动等,4,铁路振动,列车行驶带来的轨道两侧,30m,外的环境振动,铁路机车的运行,按振动源的动态特征又可分成表,3-1,所示的四类。,表,3-1,环境振动污染源动态特征,三、振动的影响,（一）,振动对生理的影响,（二）,振动对心理的影响,（三）,振动对工作效率的影响,（四）,振动对构筑物的影响,振动的生理影响主要是损伤人的机体，引起循环系统、呼吸系统、消化系统、神经系统、代谢系统、感官的各种病症，损伤脑、肺、心、消化器官、肝、肾、脊髓、关节等,（一）,振动对生理的影响,振动对睡眠的影响试验,图,3-1,由锻锤振动负荷引起的觉醒率,睡眠深度,1,度（浅睡眠）：振动级,60dB,无影响，,69dB,以上则全部觉醒；,深度,2,度（中度睡眠）：,60,65dB,无影响，,79dB,全部觉醒；因,2,度睡眠占,8,小时睡眠时间的一半以上，故影响这种睡眠的振动级最令人厌烦；,睡眠深度,3,度（深睡眠）,:74dB,以上方会觉醒，觉醒几率很低；,睡眠深度,REM(,异相睡眠，指睡眠多梦期,):,振动影响介于深度,2,度和,3,度之间。,人们在感受到振动时，心理上会产生不愉快、烦躁、不可忍受等各种反应。,除振动感受器官感受到振动外，有时也会看到电灯摇动或水面晃动，听到门、窗发出的声响，从而判断房屋在振动。,人对振动的感受很复杂，往往是包括若干其他感受在内的综合性感受。,（二）,振动对心理的影响,振动引起人体的生理和心理变化，导致工作效率降低。,振动可使视力减退，用眼工作时所花费的时间加长。,振动使人反应滞后，妨碍肌肉运动，影响语言交谈，复杂工作的错误率上升等。,（三）,振动对工作效率的影响,振动通过地基传递到构筑物，导致构筑物破坏。如，基础和墙壁龟裂、墙皮剥落，地基变形、下沉，门窗翘曲变形，构筑物坍塌，影响程度取决于振动的频率和强度。,由于共振的放大作用，其放大倍数可由数倍至数十倍，因此带来了更严重的振动破坏和危害。,（四）,振动对构筑物的影响,一、,振动的基本物理量,二、,振动的性质,三、,简谐振动系统,四、波动的产生与传播,第二节 振动基础,位移,频率,周期,加速度,速度,基本物理量,一、,振动的基本物理量,定义：,某个运动量（位移、速度或加速度）,按时间的正弦或余弦规律变化的振动。,（,x,0,为振幅、,为角频率）,（,3-3,）,简谐振动,是最简单的周期振动,。,若正弦振动，则,（,3-1,）,位移,（,3-2,）,速度,加速度,简谐振动,（正弦）的相位关系,图,3-2,位移、速度、加速度的相位关系,位移、速度和加速度,的相位关系如图所示，相位差为,/2,，则位移和加速度相位相反。,（一）正弦波振动,（二）复合正弦波振动,（三）冲击波振动,二、,振动的性质,（一）正弦波振动,如图，正弦波最大振幅为,A,，周期为,T,，频率为,f,，角速度,=2f,2/T,，以时间,t,为横坐标,则瞬间振动振幅 可表示为,（,3-4,）,若以距离,x,为横坐标,则瞬间振动振幅 可表示为,（,3-5,）,图,3-3,正弦波,波长常数，,（二）复合正弦波振动,图,3-4,正弦波的合成,（基波和,3,次谐波的相位影响）,振动频率相同的正弦波合成后仍是以相同频率振动的简谐振动。,定义：两个以上正弦波叠加后形成的新波称为复合正弦波。,在基波上含有,3,次谐波,(,基波的,3,倍频波,),的波形。,相对于基波分别相差,90,相位。,随着波形移动，其峰值,(,复合波的振幅,),也随之变化。,这种复合波仍是周期波形。,拍频现象,两个频率相近的振动合成时产生振幅周期性变化的现象。,图,3-5,拍频现象（频率稍有不同的正弦波合成）,实际的振动波即便再简单，也是一个相互没有倍频关系的周期波形的集合，通常是在一个波上再加上一个非周期的波动，且随时间变化，所形成的冲击波也急剧变化。,冲击：,指给予系统的激励。,与该系统的固有振动周期相比，这种激励能在很短时间内终结；,实际发生的冲击波振动时间往往并不很短，而是经过数个周期的衰减振动形式的过渡激励。,（三）冲击波振动,冲击性振动：,冲压、锤锻之类的物体碰撞、下落运动产生的振动。,往往为,公害振动！,冲击波示例,图,3-6,冲击波及其频谱示意图,图,(a),是典型的,单一矩形冲击波,振幅,A,、持续时间,T,，显示从低频到高频具有均一频谱的冲击力。,图,(b),的,正弦波半周期激励,是近似实际的冲击波谱图。是物体具有弹性所致结果。,冲击激励的响应,图,3-7,冲击激励引起的单自由度系统的响应,若在质量块上施加一外来单一冲击力时，与该质量块和弹簧系统决定的共振频率相比较，有图（,b,）的,2,种情况,【,图,(b),】,若延长冲击力作用时间，在最初施加冲击力后和冲击力消除后，将继续自由衰减振动,【,图,(b),】,若冲击力时间极短，则力消除后将继续出现系统所固有的自由衰减振动，即与力的波形无关的自由振动。,（一）自由振动,（二）受迫振动,（三）振动体与共振,三、,简谐振动系统,（一）自由振动：,无外力作用的振动,1.,无阻尼自由振动,2.,有阻尼自由振动,图,3-8,弹簧自由振动示意图,在弹性系数为,k,的弹簧上,加一质量,m,，使其产生位,移后轻轻放开，则弹簧,作,无阻尼自由振动,。,实际振动系统有弹簧内摩,擦、滑动摩擦、空气或水,的阻力等各种阻尼作用，,是,有阻尼自由振动,。,根据牛顿定律，无阻尼自由振动的运动方程式为,1.,无阻尼自由振动的计算,即,（,3-8,）,当,t,0,， 时，求解，得,（,3-9,）,即， 为正弦波形，振动在无阻尼状态下一直持续下去。,式（,3-9,）中，系统的,固有角频率,可表示为,或,于是，系统的,固有频率,（,3-10,）,【,讨论,】,与位移振幅无关,。,计算中需要确定 值！,系统固有频率 的计算,于是，,设重量为,W,的物体静止地加载在弹簧上,弹簧静挠度为,重力加速度,g=980cm/s,2,由 ，得 ，,代入式（,3-10,），于是,【,讨论,】,仅,与,弹簧静挠度 有关。,1.,无阻尼自由振动的计算,弹簧并联与串联时总弹性系数的计算,图,3-9,总弹性系数的计算,2.,有阻尼自由振动的计算,气体或液体阻尼的粘性摩擦阻力与振动速度成正比，则,（,3-12,）,【,讨论,】,阻尼系数,c,c,=0,，则为无阻尼振动；,c,由,0,逐渐增大，成为阻尼逐渐增大的振动；,c,c,c,（临界阻尼系数），已无振动，系统缓慢恢复到原位置。,令,阻尼比,（,3-13,）,临界阻尼系数,（,3-14,）,根据阻尼比 的大小，振动物体的位移随时间的变化有三种不同的情况, 0, ,1,时，为,c,c,c,的阻尼振动，即物体虽作振动，但振幅逐渐减小,不久即停止,。,图,3-10,不同阻尼下的位移随时间的变化,【,讨论,】,=1,时，为,c=c,c,的临界阻尼振动，阻尼系数,c,即为临界阻尼系数。,1,时，为,c,c,c,的过阻尼振动，,此运动已非振动状态，而是逐渐,衰减的非周期运动,（,3-13,）,（二）受迫振动：,在外力反复作用下的振动,1.,无阻尼受迫振动,2.,有阻尼受迫振动,图,3-11,受迫振动,无阻尼，若外力为振幅,F,0,、角频率,的简谐激振力,则运动方程可写成,1.,无阻尼受迫振动,（,3-22,）,解，得在外力作用下的位移,x,为,（,3-23,）,当 时，位移 为无穷大，此状态称为,共振,。,1.,无阻尼受迫振动,（,3-24,）,式,(3-23),中的 值表示外力,F,0,在静态作用时的位移，设其为 ，振动中的位移振幅为 时，二者之比的绝对值称,位移振幅倍率,，,即,（,3-23,）,图,3-12,振幅倍率,【,讨论,】,阻尼比,=0,的情况,频率比,（,）,=0,时，,振幅倍率为,1,；,频率比,=1,时，振幅倍率为无穷大；,频率比,由,1,逐渐增大时，振幅倍率逐渐减小；,频率比,达到 以上时，振幅倍率减小到,1,以下。,2.,有阻尼受迫振动,存在与振动速度成正比的阻尼时，受迫振动的运动方程式为,当,0, ,1,时，解得,在阻尼项消失后的恒定态下，位移为,（,3-25,）,（,3-26,）,（,3-28,）,2.,有阻尼受迫振动,振幅倍率为,（,3-29,）,用图表示式（,3-29,）时，如图,3-10,所示， 越小，振幅倍率曲线的峰值越高； 越大，振幅放大率曲线的峰值越低，也越平缓。,（三）振动体与共振,1.,固有频率,共振发生的频率,共振烈度的表示,振动体与共振频率,4.,3.,2.,1.,固有频率,（也称,共振频率,）,公害振动发生的主频率范围大约为,1,100Hz,。,长跨度桥、天线、电缆、建筑物等的固有频率在此范围。,设备安装在房屋地板（楼板）上时，为了防止建筑物产生共振响应，需要对建筑物各构件各自的固有频率进行估算。,单自由度振动系的,固有频率,与,质量,、,弹性常数,及,衰减系数,相关。,激振力的频率与机械或构筑物的固有频率一致时，就会发生共振,。,2.,共振发生的频率,即阻尼比,= 0,，频率比,= 1,时，呈共振状态,理论上振幅为无穷大。,无阻尼,阻尼比 ,0,时，随 增大，最大位移振幅逐渐减小。,最大振幅产生的频率比为,最大振幅产生的频率为,有阻尼,（,3-31,）,（,3-33,）,3.,共振烈度的表示,（,3-35,）,共振烈度,：振动产生的最大位移振幅。,通常的振动多是 ,1,，则最大振幅倍率近似为,共振烈度的强度 ：,（,3-36,）,意义,：,表示共振点处振幅扩大为静态位移的倍数,例，若,Q,为,10,，则共振点处的振幅扩大为静态位移的,10,倍。,3.,共振烈度的表示,共振烈度的强度 的计算方法,：,实测频率变化的激振，,绘制如图,3-13,的共振烈度,曲线；,求出从最大振幅点减去,3dB,位置的频域；,按式（,3-36,）求得,Q,或,图,3-13,共振烈度,4.,振动体与共振频率,桥梁、天线、各类机械及构件等大多为棒状振动体。,设棒状体,(,圆形、方形、矩形板条,),材料密度为,，弹性模量为,E,，长度为,l,，振动体的共振频率为基频的整倍数,n,1,，,2,，,3,，则,纵向共振频率,（,3-37,）,横向共振频率,式中，,与棒横截面半径或厚度成正比的量。,（,3-38,）,l:,长度；,S,：张力；,：密度,E:,弹性模量；,:,常数；,t,：厚度（方棒）或直径（圆棒）,c:,声速,;,开口时要对长度,振动体,基波频率,高谐波频率,备 注,弦的,横向振动,基波的整倍数,棒的,纵向振动,基波的整倍数,杆的,横向振动,非基波的整倍数,:,常数；,t,：厚度（方棒）或直径（圆棒）,两端开口或,闭合的,空气柱,基波的整倍数,圆形膜,非基波的整倍数,周边固定,圆形盘,非基波的整倍数,l:,长度；,S,：张力；,：密度,：密度,; E:,弹性模量；,c:,声速,;,开口时要对长度 作开口修正,面密度,; a:,半径；,S,：张力,K,2,：常数；,：泊松比,表,3-2,振动体与共振频率,调节振动体结构尺寸参数,(,直径、厚度及长度等,),可控制其共振频率。,（一）波动的产生,（二）共振引起的扩大,（三）振动波的种类与形态,（四）波动沿地面的传递特性,四、波动的产生与传播,波动产生的机理：,激振力的作用。,由往复、旋转之类周期性运动产生的激振力直接作用于媒介物，就会发生,振动,。,振动往往以波动的的形式迁移，或将周期性作用力施加到其它部件或基座上，形成,振源,。,典型的振源：,压缩机、破碎机、自动织布机、各种风钻、振动输送机等。,（一）波动的产生,共振现象的主要形式有,4,种,（二）共振引起的扩大,（,1,）包括基础在内的机器质量和支承基础的支承弹簧引发的力的传递即为共振。,（,2,）波动传递过程中，可能发生因地质构造引起地基共振的现象。,3,）从受振（即受损方）还须考虑与振源同样的机械或建筑及其支承引起的共振。,（,4,）当机械或建筑的部分或部件的固有频率与传递来的激振力频率一致时，就会强烈共振,。,（三）振动波的种类与形态,纵波,（,压缩波或疏密波,）,:,传播速度快，在振源观测时总是先到达观测点，故也称为,一次波,（,Primary Wave,，略作,P,波,）,纵波传播以媒介体体积伸长或压缩的形式变化，质点沿波的行进方向作前后运动。,横波,（,剪切波,）,:,又称,二次波,（,Secondary Wave,，,略作,S,波,）,横波中质点运动与波的传播方向垂直，媒介体体积不发生变化 。,实体波,（,Body Wave,）,瑞利波,（,Rayleigh Wave,）：最具代表性的表面波，在公害振动中起重要贡献。,质点运动与波的传播方向垂直,表面波,（,Surface Wave,）,乐甫波,(Love wave),：在不同固体表面层内发生的表面波。,质点运动与波传播方向垂直且水平移动。,图,3-14,振动波的种类与形态,（三）振动波的种类与形态,在流体场中必须考虑媒介体的体积弹性，因此,空气中,只发生,纵波,。,液体表面,发生以重力和表面张力为恢复力的,横波,。,固体中,，体积变化的阻尼产生,纵波,；形变阻尼导致,横波,产生。,在,无限大的媒介体,中传播的仅为纵波和横波,在性质完全不同的,固体界面或固体与真空、固体与气体的界面,产生,表面波,。,（四）波动沿地面的传递特性,1.,波动传递的顺序,波动的空间分布特征,波动随距离的衰减,波动的反射、折射和衍射,4.,3.,2.,1.,波动传递的顺序,图,3-15,振动波传递顺序示意图,作用于匀质且广阔的地表面上一点的纯冲击波，一般随着距离的增加，波形本身将产生变形。,假定波形传播时保持原状，则波动传递顺序：,首先观测到与地面平行的,P,波，,其次是,S,波，,而后是具有与地面垂直振动分量的,R,波。,波动的空间分布特征,2.,图,3-16,均匀地面上作用振动力时波的传播状况示意图,P,波与振动传播,方向平行运动,S,波与振动传播,方向垂直运动,R,波粒子的水平分量,R,波粒子的,垂直分量,置于地表上的圆板受到垂直冲击振动时（,1,）,P,波在空间传播最快，,S,波次之，二者都以振源为中心呈球面波传播；,R,波稍滞后，以振源为中心呈圆柱波传播,R,波在地表水平分量大，垂直分量稍小；,地表稍向下水平分量为,0,处质点运动仅为垂直分量,再深处，水平分量与表面 作反相位运动，并随深度而急剧减。,（,2,）,R,波能量最强，约占总能量的,67%,，是振动公害处理首要考虑的波。横波占,26%,，纵波能量最小，仅为,7%,。,波动随距离的衰减,3.,设，距振源,r,0,（,m,）的基准点与距离,r,点的振幅比,x,r,/x,0,为,（,3-39,）,式中，,x,r,、,x,0,分别为基准点和距离,r,点的振动位移振幅；,地基的衰减常数；,n,与波动类型相关的参数，表面波,n=1/2,。,式中右侧第,1,项是介质吸收引起的衰减，每隔一定距离衰减一定,dB,量；第,2,项是波面扩展引起的衰减，若为表面波，则每倍程衰减,3dB,。,振动以波动形式从振源传递到地面，随波动距离增加逐渐减小，直至衰灭,波的形态不同，,n,值不同，波动随距离,r,的衰减也不同。,波动随距离的衰减,3.,若,R,波的强度与波阵面扩展距离的平方成反比衰减，且无其他衰减时，则分别与距离,r,1,、,r,2,对应的振动量位移、速度或加速度（,a,1,、,a,2,）与距离间近似存在下列关系。,（,3-40,）,式中，,a,1,、,a,2,分别为与距离,r,1,、,r,2,对应的振动量,位移、速度、加速度。,波动的反射、折射和衍射,4.,图,3-17,不同入射波的反射波和折射波,振动在固体中的反射、折射、衍射、透射基本原理同声场；,复杂处在于固体中纵波、横波、表面波共存，且传播速度不同,。,图示为,P,波、,S,波从固体介质,1,传递到固体介质,2,的界面产生反射和折射的情况。,设,P,波、,S,波在介质,1,中的振动速度分别为,c,p1,、,c,s1,，在介质,2,中的振动速度分别,为,c,p2,、,c,s2,。,波动的反射、折射和衍射,4.,图,3-17,（,a,）,P,波以角度,入射,P,波以角度,入射时，在两介质界面上,P,1,波以相同的角度,正,反射。,还产生反射波,SV,1,和折射波,SV,2,，入射角和反射角分别为,b,与,f,。,在介质,2,中形成折射波,P,2,，折射角为,e,。,则有如下关系成立。,（,3-41,）,入射、反射、折射的角度分别取决于,P,波、,S,波的速度,波动的反射、折射和衍射,4.,SV,波与,SH,波均为横波，如图中箭头所示，,SV,波的质点运动与纸面平行，,SH,波质点运功与纸面垂直。,SV,波入射（图,3-17(b),）时，,SV,1,波作正反射，此外产生,SV,（,P,1,）反射波、,SV,（,SV,2,）折射波和,SV,（,P,2,）折射波。,SH,波入射（图,3-17(c),）时所产生的反射和折射都是,SH,波。,图,3-17,（,b,）,波动的反射、折射和衍射,4.,不同波的强度受,1,c,pl,、,1,c,sl,、,2,c,p2,、,2,c,s2,的影响，介质,1,和介质,2,的,c,比越大，材质越相异，反射波就越强，折射波越减少。,若界面的一侧是气体或液体，则其中只存在,P,波即压缩波,(,纵波,),，界面阻抗显著变化，相互折射显著减少，与声场情况相同。,若为固,-,固界面，即使是异质材料，阻抗变化也很小，振动易于导入，折射透过也相当大。,波动的反射、折射和衍射,4.,当波动在不同材质的多层介质中传播时,各种形式的波重叠反射、折射，情况极其复杂。,界面（,1,）会产生,R,波；,层间界面（,2,）、（,3,）也会产生乐甫波，沿界面传播。,图,3-18,各层间的多重反射、折射,图,3-19,是,R,波在固体端部传播的示例。,R,波在固体端部反射，同时向端部侧面弯曲传播。,例如，地面的沟深远远大于波长时，部分表面波沿沟内侧行进，其中会有若干波到达沟对侧。,图,3-19,在固体端部的瑞利波的反射波和透射波,波动的反射、折射和衍射,4.,二、,环境振动标准,三、城市区域环境振动标准,一、,振动的评价,第三节 振动的评价与标准,（一）振动的评价指标,（二）振动的评价标准,1.,位移、速度和加速度,2.,振动级,一、,振动的评价,（一）振动的评价指标,1.,位移、速度和加速度,振动的振动量：,是指,被测系统在选定点上,选定方向的运动量。,位移、速度和加速度,的换算关系,（,p118,图,3-20,）,描述振动量的基本参数,10Hz,0.01m/s,2,0.16/s,2.5m,图,3-20,振动量换算图,2.,振动级,振动加速度级,定义为,（,3-42,）,式中：,加速度有效值，,m/s,2,，,对简谐振动,；,加速度参考值，,m/s,2,，,国外一般取 ，我,国取 。,一般用机械振动参数级来描述振动的强度，单位为分贝（,dB,）。,在环境振动测量中，一般选用振动加速度级和振动级作为振动强度参数。,2.,振动级,人体对振动的感觉有关因素,振动,频率,的高低,、,振动,加速度,的大小,振动环境中,暴露时间,振动的方向,综合诸多因素，国际标准化,组织建议采用,等感度曲线（,图,3-21,）,。,图,3-21,等感度曲线,振动级,定义：修正的加速度级，用 表示，即,式中：,修正的加速度有效值，,m/s,2,，,按式,（,3-44,）,计算。,（,3-43,）,式中：,频率为,f,的振动加速度有效值；,振动修正值，如表,3-3,所示。,（,3-43,）,-27,-21,-15,-9,-3,3,3,水平方向修正值,/dB,-18,-12,-6,0,0,-3,-6,垂直方向修正值,/dB,63,31.5,16,8,4,2,1,中心频率,/Hz,表,3-3,垂直振动与水平振动的修正值,（,3-44,）,于是，由式（,3-43,）求得,2,台机器同时工作时的振动加速度级为,【,例,3-1】2,台机器各自工作时，在某点测得的振动加速度有效值分别为,2.68,10,-2,m/s,2,和,3.62,10,-2,m/s,2,，试求,2,台机器同时工作时的振动加速度级。,解：,2,台机器同时工作时的振动加速度有效值为,【,例,3-1,】,2,台机器各自工作时，在某点测得的振动加速度有效值分别为,2.68,10,-2,m/s,2,和,3.62,10,-2,m/s,2,，试求,2,台机器同时工作时的振动加速度级。,于是，,2,台机器同时工作时的振动加速度级为,解：,2,台机器各自工作时，其振动加速度级分别为,（二）振动的评价标准,感觉阈,：人体刚刚能够感觉到振动，对人体无影响；,不舒服阈,：使人感到不舒服；,疲劳阈,：使人感到疲劳，工作效率降低。工况下以此阈为标准，超过者即认为存在振动污染；,危险阈,：此时振动会使人产生病变。,在生理学中，振动强度习惯以,g,（ ）为单位表示加速度。据此，人体对振动的感觉标准为,振动强弱对人体的影响大致可分为四种情况：,刚刚感到振动是,0.003g,；,不愉快的感觉是,0.05g,；,不可容忍感是,0.5g,。,国际标准化组织,推荐使用,ISO2631/1,1985,标准作为评价人体在振动环境中疲劳界限标准。,我国根据这个标准制定了相应的国家标准,人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则,（,GB/T13442,92,）,图,3-22,：垂直方向的振动暴露标准,暴露时间,图,3-23,：垂直方向的振动暴露标准,疲劳和效率衰减的界限,人体对垂直振动比水平振动更敏感。,图,3-22,垂直方向的振动暴露标准,暴露时间,min,图,3-23,垂直方向的振动暴露标准,疲劳和效率衰减的界限,二、,环境振动标准,人在居住区域承受环境振动的评价，一般以刚刚感觉到的振动加速度,(,感觉阈,),为允许界限，在界限以下可以认为基本没有影响。,国际标准化组织推荐使用,ISO/DIS2631,给出的,环境振动标准,（,表,3-4,）,113,116,113,89,92,89,全天,车间,113,116,113,83,86,83,全天,办公室,74,97,77,100,74,79,74,77,74,夜间,107,110,110,113,107,110,77,83,80,86,77,83,白天,住宅,71,74,71,71,74,71,全天,严格控制区,混合轴,Z,X,（,Y,）,混合轴,Z,X,（,Y,）,每天数次的振动,连续振动、间歇振动、重复振动,振动级 （,）,/dB,时间,地点,表,3-4 ISO,建筑物内振动标准,三、城市区域环境振动标准,我国,城市区域环境振动标准,（,GB10070-88,）,中规定的有关城市各类区域铅垂方向振级标准值。,适用地带范围,昼间,/dB,夜间,/dB,特殊住宅区,65,65,居民文教区,70,67,混合区、商业中心区,75,72,工业集中区,75,72,交通干线道路两侧,75,72,铁路干线两侧,80,80,表,3-5,城市各类区域铅垂方向振级标准值,振动控制的,任务,：通过一定手段使受控对象振动水平满足预定要求。,受控对象,：各类产品、结构或系统的统称。,第四节 振动控制技术,(1),确定振源特性与振动特征,(2),确定振动控制水平,(3),确定振动控制方法,(4),进行分析与设计,(5),实现振动控制,不同性质的振源引起的,振动不同，解决的方法也不同,；,首先要,确定振源的位置、激励特性,(,简谐性、周期性、窄带随机性或宽带随机性,),；,振动特征,(,受迫型、自激型或参激型,),等。,实现控制振动的目的五个环节,(1),确定振源特性与振动特征,(2),确定振动控制水平,(3),确定振动控制方法,(4),进行分析与设计,(5),实现振动控制,实现控制振动的目的五个环节,确定衡量振动水平的量及其指标,：位移、速度或加速度、应力等，也可以是其最大值或均方根值。,(1),确定振源特性与振动特征,(2),确定振动控制水平,(3),确定振动控制方法,(4),进行分析与设计,(5),实现振动控制,实现控制振动的目的五个环节,振动控制方法包括,隔振、吸振、阻振、消振及结构修改,等，各自的适用性不同。,(1),确定振源特性与振动特征,(2),确定振动控制水平,(3),确定振动控制方法,(4),进行分析与设计,(5),实现振动控制,实现控制振动的目的五个环节,建立受控对象与控制装置,(,如吸振器、隔振器、阻尼器等,),的,力学模型、,进行振动分析,;,对控制装置,参数与结构的设计,(1),确定振源特性与振动特征,(2),确定振动控制水平,(3),确定振动控制方法,(4),进行分析与设计,(5),实现振动控制,实现控制振动的目的五个环节,将控制装置的结构与参数从设计转化为实物。,可实现性,是振动控制研究中必须注意的重要问题。,一、,振动源控制,二、,机械振动控制,三、,弹性减振,四、阻尼减振,五、冲击减振,六、传播途径的减振对策,七、振动衰减,引起振动的原因主要有三种,突然的作用力或反作用力,引起的,冲击振动,旋转,机械静平衡力或动平衡,力产生的,不平衡力引起振动,往复机械本身不平衡,引起振动,振源控制方法,:,改进振动设备的设计,提高制造加工装配精度。,一、,振动源控制,机械设备产生的振动类型,稳态振动,冲击振动,产生稳态振动的机器有风机、水泵、发电机等旋转式机器及柴油机、往复式空气压缩机等往复式机器,产生冲击振动的机器有锻,锤、冲床、剪板机、折边,机、压力机及打桩机等冲,击式机器,二种类型的振动控制及隔离方法都有所不同,二、,机械振动控制,（一）降低机械的振动加速度,二、,机械振动控制,（二）利用支撑台架质量的减振措施,（三）利用动力吸振的减振措施,（一）降低机械的振动加速度,降低机械的振动加速度的措施,：,采用使自由振幅倍率减小的设计。,自由振幅倍率 （,加速度振幅倍率）,定义式,（,3-45,）,自由位移振幅。,阻尼比,与,/,0,相关,频率比,/,0,3,时，全部,为,1,。,图,3-24,自由振幅倍率,（二）利用支撑台架质量的减振措施,激振力频率,f,与系统固有频率,f,0,之比，即频率,比,/,0,为,（,3-46,）,机械质量,m,越大，弹簧常数,k,越小，激振力频率,f,越大时， 则,/,0,越大。,阻尼小的情况,当,/,0,1,时，机械质量,m,越大，,/,0,也越大，自由振幅倍率减小,当,/,0,1,时，,m,越小，,/,0,也越小，自由振幅倍率减小,减振措施,通过增减机械支承台架的质量能够降低振动加速度。,调节支承台架质量，使机械位移振幅控制在容许值以内。,位移振幅 为,质量,m,为,若要控制位移振幅 在许可位移振幅以下，,可按上式求得相应的质量,m,或弹性系数,k,。,（,3-48,）,（,3-47,）,【,例,3-2,】,质量,70,的机械转速为,600rmp,每转一圈在垂直方向产生,60N,的激振力。该机械固定在水泥台上，欲通过架台下的弹性支撑（图,3-25,）传递,1/3,的激振力。在无阻尼情况下试求（,1,）系统的固有频率；（,2,）将机械的许可位移控制在,0.2,的水泥台质量；（,3,）水泥台下敷设的弹性材料的总弹性系数,解：,（,1,）,系统的固有频率,由式（,3-47,），知,，即,得，,f,0,=5Hz,（,2,）,系统总质量,水泥台的质量,100,70 = 30 ,（,3,）总劲度系数,k = 100,(2,5),2,/s,2,100000/s,2,=,100 kN/m,（三）利用动力吸振的减振措施,当外力的频率与质量,-,弹簧系统的固有频率接近时，,就会产生共振。,当机械安装不良而形成共振状态等情况，可采用,动力吸振器,的方法，作为减振处理措施之一。,二自由度无阻尼系统：,如图，当弹簧上的机械质量,M,的,振幅异常大时，在,M,上通过弹簧,k,再加以质量,m,（吸振器），即,二自,由度无阻尼系统。,在,二自由度无阻尼系统,中,（,3-49,）,机械的质量,M,的,位移振幅,为,式中,，,。,吸振器质量,m,的,位移振幅,为,（,3-50,）,式中,，,。,讨论,。,要使机械的质量,M,的,位移振幅,趋近于,0,，就要,此时吸振器施加给机械的力与外力相互抵消,理论上机械处于静止状态。,机械处于共振状态的前提是,则有,（,3-51,）,有阻尼情况下的动力吸振器减振机理很复杂，有专著论述,图,3-27,动力吸振器引起的共振频率的变化,（,a,）,：机械发生共振,（,b,）,：机械避开了状态,（,a,）,的,共振，形成了两个新的共振点,图,3-28,可滑动调节的动力吸振器,应用实例：图,3-28,所示为质量部分可以,滑动调节的吸振器。,【,例,3-3,】,质量为,200,的机械被支撑在弹性系数为,300kN/m,的弹簧上，由于设计失误，运行时发生共振。欲采用动力吸振器的方法，在机械上部设置,50,的附加质量，试求在附加质量下所用弹簧的弹性系数应为多大？,解：要使主振动系统与附加质量的振动系统的固有频率一,致，按式（,3-51,）,于是,（一）弹性减振原理,（二）弹性减振方法,三、,弹性减振,（一）弹性减振原理,振动传递系数,：通过隔振元件传递的力 与激振力 的比值,最常用的描述和评价隔振效果的物理量。,定义式,（,3-52,）,原理,：,用弹性材料支撑机械，使传递到基础的激振力减少,。,以阻尼比,=c/c,0,为参数，将式（,3-52,）绘成图,(3-29),图,3-28,振动传递系数图,讨论,振动传递系数,的特性,（,1,）,f,f,0,的区域,（,2,）,0,f,f,0,的区域,（,3,）,f=f,0,的区域,（,4,）,f,f,0,的区域,（,5,）,f,f,0,的区域,接近于,1,，振动完全被传递，,无减振效果。,以阻尼比,=c/c,0,为参数，将式（,3-52,）绘成图,(3-29),图,3-28,振动传递系数图,讨论,振动传递系数,的特性,（,1,）,f,f,0,的区域,（,2,）,0,f,f,0,的区域,（,3,）,f=f,0,的区域,（,4,）,f,f,0,的区域,（,5,）,f,f,0,的区域,1,，传递力大于激振力，振动被放大；,隔振系统设计失败。,若增大阻尼，可使,减小。,以阻尼比,=c/c,0,为参数，将式（,3-52,）绘成图,(3-29),图,3-28,振动传递系数图,讨论,振动传递系数,的特性,（,1,）,f,f,0,的区域,（,2,）,0,f,f,0,的区域,（,3,）,f=f,0,的区域,（,4,）,f,f,0,的区域,（,5,）,f,f,0,的区域,最大，发生,共振；,防振设计中须极力避免这种状态,。,以阻尼比,=c/c,0,为参数，将式（,3-52,）绘成图,(3-29),图,3-28,振动传递系数图,讨论,振动传递系数,的特性,（,1,）,f,f,0,的区域,（,2,）,0,f,f,0,的区域,（,3,）,f=f,0,的区域,（,4,）,f,f,0,的区域,（,5,）,f,f,0,的区域,；,与阻尼有无和阻尼的大小均无关；,此时传递力与激振力相同。,以阻尼比,=c/c,0,为参数，将式（,3-52,）绘成图,(3-29),图,3-28,振动传递系数图,讨论,振动传递系数,的特性,（,1,）,f,f,0,的区域,（,2,）,0,f,f,0,的区域,（,3,）,f=f,0,的区域,（,4,）,f,f,0,的区域,（,5,）,f,f,0,的区域,1,，,传递力小于激振力,，,有防振效果,。,频率越高，,越小；阻尼越大，,越大。,=0,时，,最小，防振效果最大。,此即弹性减振的原理。,实际防振设计中，实施弹性减振的方案：,方案,1,：,先确定质量，再选定弹簧；,方案,2,：,先大致选择弹簧，再用附加质量,调节弹簧所支撑的质量；,方案,3,：,选定弹簧个数，调节所支撑的质,量。,讨论,防振设计时须注意由弹性支撑决定的振动传递系数,！,在忽视阻尼，,1,时,（,3-53,）,又， ，代入上式，则,（,3-54,）,若,和,k,都不变，欲使振动传递系数为,（,），可依据下式附加质量来实现。,（,3-55,）,讨论,【,例,3-4,】,质量,1700,转速,1200rpm,的空压机，每转在垂直方向产生,1%,的激振力。为防振在,6,个点设置弹性支撑，欲设计频率比 为,3,，以下值应如何确定？（,1,）每一弹性材料的负荷（,W,）；（,2,）固有频率（ ）；（,3,）弹性系数（,k,）；（,4,）振动传递系数（,）。,解：,（,1,）每一弹性材料的负荷,（,2,）固有频率,（,3,）弹性系数,（,4,）振动传递系数,积极隔振,（主动隔振）,消极隔振,（被动隔振）,图,3-30,积极隔振示意图,图,3-31,消极隔振示意图,在机器与基础间安装弹性支承（隔振器），减少机器振动激振力向基础的传递量，迫使机器的振动得以有效隔离的方法,作用,:,降低设备扰动对周围环境的影响，同时使设备自身振动较小。,风机，水泵，压缩机及冲床的隔振,在设备与基础间安装弹性支承（隔离器），减少基础的振动对设备的影响程度，使设备能正常工作或不受损害。,作用,:,减小地基的振动对设备的影响，使设备的振动小于地基的振动，达到保护设备的目的,精密仪器设备的隔振，房屋下安装隔振器防止地震破坏。,（二）弹性减振方法,四、阻尼减振,自由阻尼层减振,约束阻尼层减振,图,3-32,阻尼层示意图,方法,：在结构表面直接粘贴阻尼材料。,原理,：当结构振动时，粘贴在表面的阻尼材料产生拉伸压缩变形，将振动能转化为热能，实现减振效果；,方法,：在结构的基板表面粘贴阻尼层后，再贴上一层刚度较大的约束板。,原理,：结构振动时，处于约束板和基板之间的阻尼材料产生拉伸压缩变形，将部分振动能转化为热能，达到减小结构振动的目的,阻尼减振方法,(a),自由阻尼层,（,b,）约束阻尼层,积极冲击隔离减振,隔离锻压机、冲床及其它具有脉冲冲击力的机械，以减少其对环境的影响。,脉冲冲击的,隔离减振,消极冲击隔离减振,隔离基础的脉冲冲击，使安装在基础上的电子仪器及精密设备能正常工作,。,五、冲击减振,五、冲击减振,图,3-32,单自由度冲击隔振系统,冲击传递系数,式中， 、,分别为积极冲击传递系数和消极冲击传递系数。,积极冲击隔离和消极冲击隔离的传递系数估算相同，即隔离原理是相同的。,冲击传递系数与系统的固有频率成正比，即系统的固有频率越小，传递系数越小；隔离支承的阻尼越大、传递系数越小。,为了达到一定的隔离效果，须选择较软的刚度低的弹性支承并设法增大弹性支承的阻尼。,讨论,冲击隔离,与,缓冲,的区别,冲击隔离,是在机器、设备、仪器与基础间安装弹性支撑（隔振器）。,缓冲,是使缓冲材料介于相互碰撞的物体之间，使碰撞的冲击力比直接碰撞低，如汽车缓冲器，飞机着陆架等。,冲击隔离,与,振动隔离,的区别与相似点,冲击隔离,是隔离机械的脉冲冲击力。,振动隔离,是降低设备自身振动或减小基础振动的影响。,一些设备的隔振系统或有些隔振器同时具有隔振和防冲击的作用。,若,振源,振动难以消除时，需要考虑采取措施阻断振动的,传递途径,，以减轻振动,六、传播途径的减振对策,传播途径的减振对策,距离衰减,防振沟,隔墙,六、传播途径的减振对策,讨论,增大距离，使受影响对象远离振源，可实现减振目的。,当距离为,4,20m,左右时，距离增大一倍，振动衰减,3,6dB,；,当距离大于,20m,时，距离增大一倍，振动衰减,6dB,以上。,一般情况下不提倡防振沟,。,为使振动下降,6dB,以下，沟深度要达,5m,10m,；,施工、维护困难，一旦积水，效果就受影响。,讨论,振源产生的沿地面传播的波动，有纵波、横波、表面波。,一般在坚硬的基础上存在表面层时，瑞利波的速度受到频率的影响，这种现象称为频散。,频率增高时，该速度与表面层的横波速度接近；,频率降低时，则与基底层的横波速度接近。,乐甫波只限于在基础上有比较柔软的表面层的情况下存在。,振动仅与波的前进方向成直角的水平面内产生，也具有频散性。,讨论,地基的种类和纵波、横波传播速度的大致值。,所测量的地表振动是这些波的合成，,表面波传播速度为横波传播速度的,95,98,左右。,表,3-6,地基的种类与纵波、横波传播速度的大致值,地基种类,纵波速度,/m,s,-1,横波速度,/m,s,-1,冲击粘上或淤泥,300,800,80,150,冲击沙或沙砾,300,1500,120,250,洪积肥或粘土,500,1500,150,500,洪积沙或沙砾,800,2000,250,800,沙 岩,1000,2000,500,1200,岩 石,2000,6000,800,2000,地基经常性微动：,地基经常性存在的具有固有特殊周期的微弱振动,！,是一种必须引起重视的地基的特征振动。,与地基种类相对应，地基越硬，微弱振动的频率越高，固有周期越短,若以接近这种振动的频率激振，则波动随距离的衰减不大，会引起振动污染。,若地面建筑物的固有频率与该频率相近，则建筑物容易因共振而受到激励。,七、振动衰减,设地面为半无限匀质弹性体， 、 分别为距离 、 （,m,）处的振动级， 处地基的弹性系数为,k,，则距离 和 两地间的振动距离衰减为,（,3-57,）,实际振动距离衰减多遵从平方反比定律，即距离增大一倍衰减,6dB,。但这并不意味几何衰减（扩散衰减）项以 规律减少，而是由地基引起的内部扩散（振动能吸收）更大,安装机械设备时，要确切地了解附近的地基特性，通过试验求得距离衰减量，据此推算振源与周围受振体的合适距离。,讨论,地层为多层重叠,在坚硬层上部有厚度为,H,的粘土层,设，横波传播速度为,v,，,则通常以频率,（,3-58,）,形成固有振动，并随机械而产生共振，,注意避免！,讨论,地层中间有柔软层，固有振动频率为,v/2H,当以间距,D,安装多台机械时，激振力的频率为,地面振幅大于基础振幅，也能形成二次振源，须注意机械的间距。拉开距离以减少振动是防振的必要措施。,【,例,3-5,】,规定工厂边界的振动级为,60dB,，在距某机械,5m,处测得的振动级为,75dB,，该机械至少应设置在距厂界多远处？,解得，,解：由式（,3-57,），得,该机械至少应设置在距厂界大于,30 m,处。,一、减,振材料,二、,减振装置,三、,振动污染的控制,第五节,减振材料与装置及其应用,（一）隔振材料,（二）阻尼材料,一、减,振材料,隔振垫,:,通用隔振元件,（一）隔振材料,WJ,型橡胶隔振垫,常用的隔振材料,橡胶,软木,玻璃纤维,毛毡,（一）隔振材料,1.,橡胶,最常用的隔振材料,。,肋状垫,镂孔垫,钉子垫,WJ,型垫,图,3-34,橡胶垫常见型式,橡胶隔振垫的刚度由橡胶弹性模量和几何形状决定。,表面的凸台或肋状能增加隔振垫的压缩量，使固有频率降低。,凸台的疏密直接影响隔振垫的技术性能,。,WJ,型橡胶垫,：,一种新型橡胶垫。,结构,：,在橡胶垫的两面有不同高度的圆台，分别交叉配置。,隔振原理,：,在载荷作用下，较高的凸圆台受压变形，较低的圆台尚未受压时，其中间部分受载而弯成波浪形，振动能量通过交叉圆台和中间弯曲波传递，能较好地分散并吸收任意方向的振动。,特
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