设备厂家给出的场地振动要求通常写成一条 VC 曲线。以 VC-D 为例,速度限值为 6.25 μm/s,判读频段 1 至 80Hz,判定方式是逐 1/3 倍频带比对。这条曲线从 1Hz 铺到 80Hz,而 1 至 10Hz 与 10Hz 以上这两段,正好对应两类不同的隔振技术。
被动隔振依靠空气弹簧这类弹性元件把设备与地面隔开,不需要压缩空气之外的额外动力,结构简单,固有频率标称值落在 1.5 至 3Hz 之间。低于固有频率的频段,它起不到衰减作用,在固有频率附近还会把振动放大。主动隔振用传感器采集振动、用执行器输出反向力,构成闭环控制,厂商标称的隔振起始频率可以做到 1Hz、0.5Hz 这样更低的位置。
装了气浮平台还出现低频问题、要不要换成主动方案、两者能不能叠加,这些判断通常卡在同一个地方。一是边界落在哪个频率,二是边界由哪几个量决定。本文按传递率、频谱与负载三条线索把这条边界讲清楚。
被动隔振的隔振效果可以用单自由度模型描述。地面振动经过隔振器传到设备,传递率为:
T = 1 / √((1 − (f/fn)²)² + (2ζf/fn)²)
式中 f 为振动频率,fn 为隔振系统的固有频率,ζ 为阻尼比。传递率 T 小于 1 表示振动被衰减,大于 1 表示被放大。
按 f/fn 的取值,模型分三个区段:
f/fn 小于 1,T 大于 1,振动被放大;在 f/fn 等于 1 处达到峰值,峰值约为 1/(2ζ)
f/fn 等于 √2,即约 1.41,此时 T 等于 1,是衰减与放大的分界
f/fn 大于 √2,T 小于 1,并随频率比增大继续下降
由此得到一条可以直接使用的结论:被动隔振的隔振起始频率约为其固有频率的 1.41 倍。 固有频率越低,有效隔振的起点越低,这是弹性元件方案的能力上限所在。
气浮平台的固有频率由空气弹簧刚度与承载质量共同决定,因此它不是一个固定值,随负载变化。
| 项目 | 规格 |
|---|---|
| 气浮支撑结构 | 半膜片式空气弹簧,支撑腿内部设二级气室 |
| 固有频率 | 小于 1.5~3Hz,同负载和实际使用情况相关 |
| 隔振起始频率 | 约 2.1~4.2Hz(按 1.1 节公式推算) |
| 台面厚度 | 100 / 200 / 300mm |
| 平面度 | 0.02~0.05mm / 600mm×600mm |
| 台面孔距 | 25mm × 25mm,M6 |
| 高度调整范围 | -10 ~ +15mm |
| 气源 | 标配静音无油空气压缩机,工作压力 3~7 Kg/cm² |
来源:UNICORN HS 华山系列、GS 冈山系列气浮平台产品资料。表中固有频率为厂商标称值,「隔振起始频率」一行为按 1.1 节公式推算的结果,不是厂商标称项。固有频率随负载变化,实际表现以现场调平后的测量结果为准。
把 1.1 与 1.2 两节合起来看,被动隔振的有效范围从大约 2 至 4Hz 开始向上延伸。这段频率以下的振动,被动方案不衰减,甚至会在固有频率附近被放大。
这条边界与 VC 曲线的判读频段存在重叠。VC-C 至 VC-G 的判读频段是 1 至 80Hz,起点就落在被动方案处理不了的区间里。也就是说,一个逐频带比对时在 1 至 3Hz 超限的场地,无论装多大的气浮平台都不会改善,因为问题不在平台的承载或刚度上,而在它根本不工作的频段。
主动隔振不使用空气弹簧作为主要隔振元件,而是由压电传感器、执行器和电子控制器构成的闭环回路,实时检测振动并输出反向修正力。这种工作方式带来三个与被动方案不同的特征:装置本身没有低频共振点,修正力方向覆盖 6 个自由度,隔振起点由控制器的带宽与执行器能力决定,而不是由结构固有频率决定。
代价同样明确。主动方案需要持续供电,控制器是长期运行的电子设备,增加了供电、散热与维护的考虑项。
| 产品系列 | 品牌 | 隔振起始频率 | 负载能力 |
|---|---|---|---|
| AVI-200 | HERZ | 1Hz | 0-455 kg |
| AVI-400 | HERZ | 0.5Hz | 0-800 kg |
| AVI-600 | HERZ | 1Hz;配 LFS 前馈系统后 0.5Hz | 0-1200 kg,可扩展至 1680 kg |
| TS-150 | HERZ | 0.7Hz | 150 kg |
| LS-400 | UNICORN | 资料未单列,给出指标为大于 2Hz 90% | 0-455 kg |
| LS-800 | UNICORN | 0.5Hz | 0-1120 kg |
| LS-1200 | UNICORN | 1Hz | 0-1200 kg,可扩展至 1680 kg |
来源:HERZ AVI 系列、HERZ TS-150、UNICORN LS 庐山系列产品资料。AVI-400 与 LS-800 的资料将隔振指标写作 0.5Hz to 200Hz,AVI-600 与 LS-1200 标准配置写作 1Hz to 200Hz、被动式 ≥200Hz。LS-400 的资料未单列起始频率,仅给出大于 2Hz 90%、10Hz 99% 与 10Hz to 200Hz 等分项指标,此处按资料原样标注。
隔振起始频率描述的是「从哪里开始有效」,隔振效率描述的是「在某个频率上衰减多少」。两个参数回答不同问题,只引用其中一个都会失真。厂商标称的隔振效率按频率逐点给出。
| 频率点 | AVI-200 / AVI-400 | AVI-600 标准配置 | AVI-600 配 LFS 前馈系统 |
|---|---|---|---|
| 2.5Hz | 90% | 90% | 95% |
| 5Hz | 97% | 97% | 99% |
| 10Hz | 99% | 99% | 99.5% |
| 高频段 | 99.8%,对应 70Hz | 99.8%,对应 70Hz | 99.8%,对应 20Hz |
来源:HERZ AVI 系列产品资料。表中数值为厂商标称值,未含现场实测修正。AVI-200 与 AVI-400 的整体性能标注为大于 40dB,AVI-600 标准配置为大于 40dB、配 LFS 后为大于 55dB。
引用隔振效率时必须带上频率。 把「隔振效率 99%」单独拎出来,读者无法判断它在 5Hz 还是在 50Hz 成立,两个位置的工程含义相差很大。低频段的那几个点,才是决定方案能否覆盖 1 至 10Hz 的关键。
VC 判读是逐 1/3 倍频带比对,超限频带的位置直接决定方案类型。
| 超限频带 | 常见来源 | 是否需要低频覆盖 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1 至 3Hz | 楼体整体摆动、地铁、远处施工 | 需要 | 低于被动方案固有频率,被动方案不衰减 |
| 3 至 10Hz | 人员走动、门体启闭、邻近设备的低频分量 | 需要 | 接近被动方案固有频率,存在放大风险 |
| 10 至 30Hz | 空调机组、水泵、楼板局部共振 | 视超限幅度 | 已进入被动方案有效区,先比较差距档位 |
| 30Hz 以上 | 真空泵、风机、气流扰动 | 通常不需要 | 被动方案在此频段效率较高 |
低频与中高频振源的来源不同,可处理性也不同,这决定了要不要在设备端动用低频能力。
| 振源类型 | 典型来源 | 能否关停或改造 | 处理位置 |
|---|---|---|---|
| 外部交通类 | 地铁、地面交通、邻近施工 | 不能 | 传递路径与设备端 |
| 建筑设备类 | 电梯、水泵、大型空调机组 | 可以调整位置或加装减振 | 振源端优先 |
| 楼体结构类 | 楼板共振、楼梯间传声 | 不能,只能避让或加固 | 传递路径 |
| 实验室内设备类 | 真空泵、小型风机、气路 | 可以关停验证 | 振源端优先,测得准 |
排查顺序建议先把实验室内可以关停的振源逐个关掉,观察频谱变化。如果关停后超限频带明显下降,问题在振源端;如果变化很小,低频成分来自建筑与外部环境,这时才需要评估设备端的低频覆盖能力。
两类方案在负载分档与现场条件上的差异,有时比频段判断更早决定方案范围。
| 对比项 | 被动隔振(气浮平台) | 主动隔振(模块) |
|---|---|---|
| 供电 | 需要,供空压机使用 | 需要 |
| 压缩空气 | 需要,标配静音无油压缩机 | 不需要 |
| 高度占用 | 台面加支架整体高度 800mm | 整体升高小于 13cm,资料口径 AVI-400 |
| 有效起点 | 固有频率 1.5~3Hz,起点约 2.1~4.2Hz | 厂商标称 0.5~1Hz |
| 负载分档 | 支架 600 / 1300 / 1950 kg 三档 | 模块 318~1680 kg 分档 |
| 台面可及性 | 带脚轮,可移动与调平 | 模块化,支持抽屉式更换 |
| 常见搭配设备 | 原子力显微镜、光学轮廓仪、白光共聚焦显微镜 | 扫描电镜、透射电镜、重载设备 |
来源:HS 华山系列与 GS 冈山系列气浮平台资料、AVI 系列主动隔振模块资料。AVI-400 资料写明结构设计无需压缩空气、整体高度升高小于 13cm。负载分档中的 600 / 1300 / 1950 kg 为支架负载能力,与台面自重分别计算。
现场限制常常先于频段判断起作用。 洁净室对产尘设备有要求,地面不能打孔意味着支撑方式要变,实验室净高不足会影响 800mm 整体高度的平台布置,设备已经就位且不便搬动时,安装空间决定方案形态。
主动与被动不是替代关系,两者有效频段不同,工程上按频段分工组合。
低频段由主动模块承担,覆盖 1 至 10Hz 这一段
中高频与承载由气浮平台或平台结构承担
需要进一步下探低频时,可用前馈传感器补偿:资料口径为 LFS 系统是针对超低频(0-50Hz)设计的外部前馈传感器,与平台直接对接,使平台在空间 6 个自由度上提供低频隔振能力
前馈带来的差别有对照数据。以 AVI-600 为例,标准配置的起始频率为 1Hz、2.5Hz 隔振效率 90%,配 LFS 前馈系统后起始频率为 0.5Hz、2.5Hz 隔振效率 95%,整体性能从大于 40dB 提高到大于 55dB。如果判读结果显示 2.5Hz 附近刚好差一档,前馈是比更换整套方案更直接的路径。
| 误区 | 真相 |
|---|---|
| 装了气浮平台就等于解决了振动问题 | 气浮平台在固有频率附近会放大振动,1 至 10Hz 段的超限它不处理 |
| 隔振效率 99% 表示全频段 99% | 效率按频率逐点标称,必须连着频率一起引用 |
| 固有频率是固定值 | 固有频率随承载质量变化,同型号在不同负载下表现不同 |
| 主动与被动只能二选一 | 两者有效频段不同,按频段分工组合是常规做法 |
| 起始频率越低越好 | 起点决定低频覆盖能力,是否必要取决于实测超限频带落在哪里 |
| 地面测到达标,设备就一定稳定 | 地面与设备安装点之间经过楼板与支架,存在放大,两处需要分别测量 |
问:气浮平台能隔掉 1Hz 以下的振动吗?
答:不能。气浮平台的固有频率标称值在 1.5 至 3Hz 之间,按传递率关系,隔振从约 1.41 倍固有频率处开始,也就是 2 至 4Hz 附近。低于这一频段,平台不衰减振动,在固有频率附近还会放大。1Hz 以下的振动需要在设备端加装主动隔振模块,或者先处理振源与传递路径。
问:怎么判断自家场地要不要覆盖低频?
答:做一次 1/3 倍频程速度谱测量,与设备厂家给出的目标曲线逐频带比对,看超限频带落在哪一段。超限集中在 1 至 10Hz,就需要低频覆盖;超限集中在 20Hz 以上,被动方案通常已经够用。测量时地面与设备安装点两个位置都要记录。
问:气浮平台上能不能再加装主动隔振模块?
答:可以。主动与被动是频段分工关系,不是替代关系。常见做法是在气浮平台的基础上加装主动模块,由模块承担低频段,平台继续承担中高频与承载。具体形式取决于平台型号、设备重量分布与可用净高,需要按现场条件确定。
问:主动隔振的起始频率是不是越低越好?
答:不是,要看需求落在哪个频段。起始频率决定低频覆盖能力,如果实测超限主要出现在 20Hz 以上,把起点压到 0.5Hz 不会带来额外收益,反而增加采购成本,以及供电与控制器方面的长期维护项。判断依据是实测频谱,不是参数表上的数字。
问:主动隔振模块需要压缩空气吗?
答:不需要。由压电传感器、执行器与电子控制器构成的主动隔振模块不使用压缩空气,AVI-400 的资料写明整体高度升高小于 13cm,模块化结构支持抽屉式更换,故障时不用移机。气浮平台则需要气源,标准配置含静音无油空气压缩机,工作压力 3~7 Kg/cm²。
判断要不要覆盖低频,落下来就是三件事:测出场地在 1 至 80Hz 的 1/3 倍频程速度谱,拿到设备厂家给出的振动目标曲线,再把两者逐频带比一遍,看超限落在哪一段。超限在 1 至 10Hz,方案里必须有主动隔振;超限集中在 20Hz 以上,气浮平台这类被动方案通常已经够用;两段都有超限,就按频段分工组合。
这条边界不是技术路线的高低之分,而是两类方案各自有效频段的交界。把频段判清楚,方案类型、负载分档与现场条件这几件事的顺序也就顺了。网站的产品页里有各系列的参数与负载分档,案例页里有不同场景的交付记录,可以按频段对照查看。
Rao, S. S. Mechanical Vibrations, 6th ed., Pearson.(单自由度系统基础激励的隔振理论与传递率关系)
IEST-RP-CC012.2, Considerations in Cleanroom Design. Institute of Environmental Sciences and Technology.(VC 曲线限值、判读频段与适用对象)
Amick, H., Gendreau, M., Gordon, C. G. Evolving criteria for research facilities: vibration. 2005.(振动准则扩展至 VC-A 至 VC-G 的背景)
HERZ AVI-200 / AVI-400 / AVI-600、HERZ TS-150、UNICORN LS 庐山系列、UNICORN HS 华山系列与 GS 冈山系列产品资料。(文中隔振起始频率、隔振效率、负载能力、固有频率等参数来源)
实验室振动从哪来:一份楼板振动自查方法
主动隔振与被动隔振的边界:什么时候需要覆盖低频
IEST RP-CC012.2 的 VC 曲线,电镜该对应哪
扫描电镜高倍成像出现异常条纹,怎么判断是不是振动引起的