0 引言

振动、冲击和噪声对工作环境、正常生活以及仪器仪表都有一定的危害作用，隔振器是控制和治理这些有害因素公认的最重要措施^[1]。振动隔离是振动控制中应用最广的一项减振技术，即采用附加子系统将振源与需减振的对象隔开，以减小振源对隔振对象的影响。作为附加子系统的隔离装置通常称为隔振器，可以由弹性元件、阻尼元件、惯性元件以及它们的组合所组成^[2]。

传统中隔振装置主要从以下几个方面进行研究^[1]。低频大变形隔振器，能提高隔振器吸收冲击能力；开发新的隔振器材料^[3]；采用电流变或磁流变技术控制阻尼^[4]，使隔振器始终处于最佳的工作状态；可调谐吸振器^[5]；采用自适应被动式振动吸收器^[6]；气囊式隔振器^[7]等。

根据振动隔振理论，被动隔振具有结构简单，工作可靠及不需消耗附加能源等优点，在一般工业技术的应用中能获得满意的结果，它适合于隔除中高频振动信号。

1 隔振理论分析

隔振是在2个结构之间增加柔性环节，从而使一个结构传至另一结构的力激振或运动激振得以降低的措施。减小激振的传递，常称为第1类隔振，简称隔力，将运转着的马达、风机、柴油机、各种动力机械等振源与地基、基础隔离，减小振源的激振力向地基、基础传递，这样的措施都属于第1类隔振^[2]。

第1类隔振的运动微分方程为：

$m\ddot{x}\text{+}c\dot{x}\text{+}kx\text{=}{{{F}}_{\text{0}}}\sin \omega t，$

(1)

$\ddot{x}\text{+}2n\dot{x}\text{+}\omega _{n}^{2}x{=h}\sin \omega t，$

(2)

式中：${{\omega }_{n}}$为系统固有频率；$\omega _{n}^{2}$=k/m；n=c/2m；h=F₀/m；

其一般解为：

${{\omega }_{n}}x{(t)=R}{{e}^{\text{-}\xi {{\omega }_{n}}t}}\cos \text{(}{{\omega }_{d}}{t-}\varphi \text{)+}{{{X}}_{0}}\sin \text{(}\omega \text{t-} \varPhi \text{)}，$

(3)

其中，第1项为瞬态解描述了系统的自由衰减运动；第2项为稳态解描述了系统在激振力的作用下进行强迫振动的状态。

${x_0}{\rm{=}}\frac{{\frac{{{F_0}}}{k}\;}}{{\sqrt {{{{\rm{(1 - }}\frac{\omega }{{{\omega _n}}}{\rm{)}}}^2}{\rm{+(2}}\xi \frac{\omega }{{{\omega _n}}}{{\rm{)}}^2}} }}\, \, \, \, ，$

(4)

当设备振动时，通过弹性元件传给基础的力由2部分组成：一部分是通过弹簧传给基础的力$k{{x}_{0}}$；另一部分时通过阻尼传给基础的力，大小为$cx\text{=}c{{x}_{0}}\omega $，它把弹簧传给基础最大力的两力的合成为${{F}_{T}}$, 表达式为：

${{F}_{T}}\text{=}\displaystyle\sqrt{{{\text{(}k{{x}_{0}}\text{)}}^{2}}\text{+(}c{{x}_{0}}\omega {{\text{)}}^{2}}}\text{=}{{F}_{0}}\sqrt{\dfrac{1\text{+(2}\xi \dfrac{\omega }{{{\omega }_{n}}}{{\text{)}}^{2}}}{{{\text{(1-}\dfrac{{{\omega }^{2}}}{\omega _{n}^{2}}\text{)}}^{2}}\text{+(2}\xi \dfrac{\omega }{{{\omega }_{n}}}{{\text{)}}^{2}}}}\, \, \, \, \, ，$

(5)

系统的隔振效果主要是用传递系数表示，其等于有隔振器时作用于基础上的力与无隔振器设备刚性连接在基础上时作用于基础上的力之比值：

${{T}_{r}}\text{=}\frac{{{F}_{t}}}{{{F}_{0}}}\text{=}\sqrt{\dfrac{1\text{+(2}\xi \dfrac{\omega }{{{\omega }_{n}}}{{\text{)}}^{2}}}{{{\text{(1-}\dfrac{\omega }{{{\omega }_{n}}}\text{)}}^{2}}\text{+(2}\xi \dfrac{\omega }{{{\omega }_{n}}}{{\text{)}}^{2}}}}\, \, \, \, \, \, \, \, \, 。$

(6)

阻尼器和理想弹簧合成下列隔振器模型：

1）刚性连接粘性阻尼器：设备和地基之间刚性地连接一粘性阻尼器，传递力正比于通过阻尼的相对速度。

2）刚性连接库仑阻尼器：阻尼器在系统质量上所加的力为常数，它与位置和速度无关，但方向与通过阻尼器的相对速度相反。

3）弹性连接粘性阻尼器：粘性阻尼器串联一个有刚度的弹簧，称之为阻尼弹簧，支撑弹簧、阻尼弹簧及粘性阻尼器构成的系统称为粘性张弛系统。

2 隔振结构设计

在振动传递中，有些因为承载等因素需要刚性连接，故要想得到合理的振动隔离效果则需要从连接件内部进行分析，空腔结构能够较好地实现在深井中对仪器的减振^[8]；橡胶垫等柔性连接则主要是依靠振动过程中的能量耗散来抑制结构振动^[9]，也可以通过柔性材料与硬质材料相结合实现在承载情况下的振动抑制。

本文设计2种结构：一类为软连接结构，其下部为柔性橡胶，上部为刚性体，通过胶将2种粘合为一体，激励振动台振动，测量振动台的振动信号；通过将结构放置于振动台上，激励振动台振动，测量结构上表面振动信号，对比2种信号的差值，得到软连接结构对振动的衰减性能; 另一类为空腔结构，其内部为一定孔径的腔体，腔体四周为橡胶结构，外部为硬材料覆盖层，能够实现承载。实验中振源为振动台，激励振动台振动，测量振动台的振动信号；通过将结构放置于振动台上，激励振动台振动，测量结构上表面振动信号，对比2种信号的差值，得到空腔结构对振动的衰减性能。

3 仿真及实验研究

在仿真软件中建立结构，通过设计软连接材料参数、空腔结构尺寸，得出减隔振性能，再与实验中进行对比，验证设计的准确性。

将加速度计安装于振动控制平台上，调节功放，驱动振动台振动，测量出振动台上的加速度计信号；卸下加速度计，将软连接结构件置于平台上，功放幅度保持不变，测量软连接结构上表面的信号大小，与之前加速度计信号作比较；将空腔结构件替换软连接件，同样测量空腔结构件上表面的信号大小，与之前的加速度计信号作比较。

振动台激励信号分为白噪声和粉红噪声，白噪声在全频段的信号功率是均匀的；粉红噪声是自然界中常见的噪音，它的频率分量功率主要分布在中低频段。粉红噪声相对于白噪声而言，低频能量足，更有利于实验的进行。

从仿真及实验数据可看出，在粉红噪声、白噪声背景条件下，通过对单独测量加速度计信号与软连接结构上表面信号的对比分析可以发现：无论是白噪声还是粉红噪声，软连接结构能够实现对高频振动的有效抑制。从实验与仿真的减隔振效果可以看出，理论仿真中，减隔振性能随着频率的升高，减隔振性能越来越好，但在实验中有一定的起伏，这是由于在制作软连接结构时，内部一些结构件为粘贴在一起，粘接处可能存在一些气泡的影响，对结构的阻尼有一定的改变，同时由于气泡等结构会引起共振，加大能量的耗散，提高减隔振效果。

同样可以看出，无论是白噪声还是粉红噪声，空腔结构能够实现对高频振动的有效抑制。由于粉红噪声在的能量随着频率的升高逐渐降低，在高频阶段白噪声背景下的减隔振性能优于粉红噪声背景下的减隔振性能。随着频率的升高，实验中的空腔结构减隔振性能较仿真略有下降，这是由于在仿真中是单频信号作为激励源，能量比较高，作用效果明显。

4 结语

本文设计研究了不同连接结构件的减隔振性能，通过仿真与实验结果证明：空腔结构以及软连接结构均能对高频振动实现有效的抑制。从空腔结构数据可以看出，内部空腔，外部覆盖刚性材料，在不改变连接刚度的情况下，既实现承压负载又能实现良好的减隔振性能。从两种结构数据对比可以发现，空腔结构减隔振性能略低于软连接结构减隔振性能，这是由软连接件外层覆盖材料特性及厚度决定的，若适当地增加空腔尺寸，也能达到同样的减隔振效果。