Выбор системы виброизоляции. Источники вибраций и вибрационные критерии

Источники вибраций

Вибрации, которые обычно называют шумом, можно разделить на три основные категории: сейсмические колебания, акустические колебания, и колебания, вызванные воздействиями, оказываемыми на рабочую поверхность. Источниками сейсмических колебаний являются любые воздействия, которые приводят к вибрации пола под экспериментальной установкой. К ним относятся движение транспорта, движения людей, ветер, вентиляция здания.

Многие источники сейсмических колебаний также приводят к возникновению акустических колебаний. Разница заключается лишь в том, что акустические колебания являются мерой флуктуаций давления воздуха.

И наконец, дополнительными источниками вибраций являются механические элементы установки на поверхности оптического стола, например, моторизованные позиционеры.

Рис. 1: Основные источники вибраций в лаборатории

Классификация вибраций

Вибрации могут быть классифицированы как случайные или периодические. Периодический шум может включать в себя постоянные вибрации, вызванные непрерывно работающей вакуумной системой, но он также включает вибрации, вызванные вентиляционными системами, которые включаются и выключаются в зависимости от температуры в помещении. Случайные вибрации классифицируются как вибрации от непредсказуемых источников, таких как ветер, дующий в сторону здания, или отбойный молоток, выкапывающий водопровод на улице. В дополнение к этой информации о периодичности важно знать частоту и амплитуду вибрации. Как правило, частота окружающих колебаний будет варьироваться от 4 до 100 Гц.

Многие источники шума вносят вклад в общие вибрации экспериментальной установки с помощью более чем одного механизма. Например, вакуумный насос, расположенный на полу рядом с экспериментальной установкой, создает сейсмические колебания пола, а также акустические колебания. Оба этих канала вибрации следует учитывать при анализе источников шума для оптической системы. Однако, поскольку эффективность механической связи обычно выше, чем эффективность акустических источников, наибольший вклад в общий шум, как правило, обусловлен сейсмическими колебаниями и силами, непосредственно воздействующими на нагрузку. Следовательно, размещение вакуумного насоса на вибропоглощающей прокладке может обеспечить необходимое снижение вибрации, чтобы сделать его вклад в общий шум незначительным по сравнению с другими источниками.

Идентификация источников вибраций

В лабораториях, как правило, принято выявлять основные источники вибраций, как описано выше, и идентифицировать те, которые вносят основной вклад. В таблице 1 перечислены некоторые из наиболее распространенных источников шума вместе с их соответствующей частотой и амплитудой, чтобы дать представление о том, какие источники вибрации могут иметь наибольшую амплитуду и находятся ли их частоты вблизи резонансной частоты данной системы.

Таблица 1 - Частота и амплитуда самых распространенных источников вибраций

Примечания: a) Амплитуда сообщается в дБ, используя ускорение свободного падения в качестве опорного ускорения.

Прежде чем выбрать систему виброизоляции, целесообразно рассмотреть источники присутствующего шума и по возможности устранить их, как, например, в приведенном выше примере с вакуумным насосом. Удаляя источники шума из рабочей среды, можно уменьшить шум, тем самым снижая требования к изоляции и, как следствие, стоимость необходимой системы.

Например, на рисунке 1 осциллограф был размещен непосредственно на экспериментальной рабочей поверхности. В результате вибрации от вентилятора в осциллографе будут напрямую воздействовать на эксперимент. Поместив осциллограф на верхнюю полку, которая не находится в прямом контакте с экспериментальной рабочей поверхностью, этот источник вибрации можно устранить. При рассмотрении того, какие источники шума следует устранить, помните, что сейсмические колебания и силы, прикладываемые непосредственно к рабочей поверхности, как правило, наиболее интенсивны из-за высокой эффективности механического соединения.

Тепловые колебания от систем кондиционирования воздуха и охлаждающих вентиляторов также могут вызвать относительное движение между компонентами из-за расширения и сжатия материала в результате колебаний температуры. Большинство систем кондиционирования воздуха обычно поддерживают температуру только в пределах 1 градуса / час. Кроме того, некоторые эксперименты чувствительны к флуктуациям, вызванным изменениями показателя преломления воздуха и его плотности, оба из которых имеют температурную зависимость. Если это так, часто выгодно строить систему защитных кожухов вокруг чувствительных компонентов, чтобы ограничить изменения температуры и воздушного потока.

Вибрационные критерии

Хоть иногда конкретные вибрационные критерии известны, потому что производитель предоставляет необходимые условия окружающей среды для правильного использования этого устройства, это не всегда так. Для таких случаев были разработаны общие критерии такими консультантами, как Colin Gordon Associates. В таблице 2 представлена информация о том, какие типы применений могут быть успешно реализованы с учетом степени воздействия вибраций. На прилагаемом графике (рис. 2) показаны кривые критериев для каждой среды.

Рис. 2 Скорость (RMS) относительно центральной частоты полосы 1/3 октавы

Общие вибрационные критерии

С четким пониманием потенциальных источников шума и критериев вибрации, которые необходимо достичь для получения высококачественных результатов, теперь можно правильно выбрать систему виброизоляции. Система должна быть способна ослабить все воздействия в диапазоне частот, к которым чувствителен эксперимент (4–100 Гц), если невозможно удалить эти источники шума из лаборатории и местной среды. Кроме того, система должна минимизировать продолжительность любых колебаний, создаваемых на рабочей поверхности, путем демпфирования этих импульсов.

Таблица 2 - Применение и интерпретация кривых Colin Gordon Associates

Выбор системы виброизоляции

Перед выбором системы виброизоляции важно определить два фактора:

- Степень воздействий из окружающей среды - Где будет располагаться стол (например, в подвале или на верхнем этаже здания со стальным каркасом)? Это является основным фактором в определении уровня изоляции, требуемого в опоре оптического стола.

- Чувствительность приложения - Какого рода эксперименты будут проводиться на столе (то есть насколько чувствителен эксперимент к вибрациям)? Это основной фактор, определяющий жесткость и характеристики внутреннего демпфирования, требуемые в оптическом столе.