二、隔振性能需求的矛盾:传递率(Transmissibility)vs. 顺应度(Compliance)

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二、隔振性能需求的矛盾:传递率(Transmissibility)vs. 顺应度(Compliance)

2024-05-29 22:56| 来源: 网络整理| 查看: 265

对于振动问题的分析,首先应通过建立模型对实际结构进行抽象,通常我们可以选择弹簧振子模型作为初步分析的对象;事实上,本文中所讲到的“振动问题的模型描述和性能需求的矛盾”可通过最简单的单自由度弹簧振子模型完成(绝大多数时候,依赖简单模型分析出来的结果会比复杂模型更具演示性)。

如图1所示的单自由度弹簧振子模型中,一个质量块 m 通过弹簧(刚度: k )和阻尼器(阻尼: c )支承在地面上,而质量块的位移 x 则是我们需要考察的量。这里,我们主要分析两种激振方式:(1)地面激振(此处用地面加速度 \ddot{x}_0 表示)和(2)外部干扰(此处由作用在质量块上的力 F_d 表示)。整个系统的动力学方程为

m\ddot{x}+c\dot{x}+kx=c\dot{x}_0+kx_0+F_d\\

图1:单自由度弹簧振子模型。

在这个模型中,地面激振加速度 \ddot{x}_0 是对精密器件放置环境中支承基础激励的一种抽象,由此构建传递函数:输入为地面激振加速度 \ddot{x}_0,输出为质量块的振动加速度 \ddot{x},即 \ddot{x}_0/\ddot{x}可称为系统的隔振传递率(Transmissibility),采用Laplace变换可得系统传递函数为

\frac{s^2X}{s^2X_0}=\frac{cs+k}{ms^2+cs+k}\\

同时,外部干扰力 F_d 是对精密器件外部激励的一种抽象,如搭载在精密仪器上的装置风扇,环境风载/声压载荷等,同样我们可以构建传递函数,外部干扰力 F_d,输出为质量块的振动位移 x,即 x/F_d可称为系统的顺应度(Compliance),亦可称为柔度(因和刚度相反),采用Laplace变换可得系统传递函数为

\frac{X}{F_d}=\frac{1}{ms^2+cs+k}\\

以下我们会分析隔振传递率(Transmissibility)和顺应度(Compliance)的特性,并发现对于一般系统而言,系统的隔振传递率和顺应度具有一定矛盾性

隔振传递率(Transmissibility)

图2所示为系统的隔振传递率的传递函数表达,针对系统频率响应曲线,我们可以得到系统的如下特征:

(1)隔振传递率的传递函数的静态起始点( s=j\omega=0 )为0 dB(即为1),该点不会随系统参数(如 k 和 c )的变化而变化;

(2)隔振传递率的传递函数峰值在共振点 \omega_P=\sqrt{k/m} ,根据经典控制理论,此处有一对共轭极点(图中用“x”表示),在大于峰值频率处( \omega\geq\omega_P ),由于阻尼的作用存在一个零点 \omega_Z=k/c (图中用“o”表示);[注:对于精密仪器通常阻尼较小,则 \omega_Z=k/c\geq\omega_P ]

(3)在小于零点频率处( \omega\leq\omega_Z ),传递函数的衰减率为-40 dB/dec (频率每增长10倍,相应降低-40 dB),在大于零点频率处( \omega\gg\omega_Z ),传递函数的衰减率为-20 dB/dec ;

(4)隔振传递率的传递函数峰值大小为 \sqrt{mk}/c ,即阻尼 c 越大该至越小。

图2:系统的隔振传递率的传递函数表达。顺应度(Compliance)

图3所示为系统的顺应度的传递函数表达,同样,我们可以由系统频率响应曲线得到系统的如下特征:

(1)隔振传递率的传递函数的静态起始点( s=j\omega=0 )为 1/k ;

(2)隔振传递率的传递函数峰值在共振点 \omega_P=\sqrt{k/m},此处有一对共轭极点(图中用“x”



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