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1、第三章 振动污染及其控制,第一节 概述,一、振动与振动污染,二、振动污染源,三、振动的影响,一、振动与振动污染,1、振动：,广义地讲，任一个物理量在某一定值附近作周期性的变化均称为振动。,如：地震 声的产生、传播和接收(声带、耳膜)电磁振动 光的波动 晶体中原子的振动 心脏的搏动 海浪起伏,机械振动：指物体在平衡位置附近作往复运动。,如：汽车、火车运动中的振动 飞机、船舶航行中的振动 机床和刀具在加工时的振动 桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动 各种动力机械的振动 控制系统中的自激振动,振动的利用：琴弦振动；振动沉桩、振动拔桩以及振动捣固；振动检测；振动传输、筛选、研磨、抛光；振动压路机、振
2、动给料机和振动成型机等。,2、振动污染,振动污染：振动超过一定的界限，轻则对人的生活和工作环境形成干扰，降低机器及仪表的精度；重则危害人体健康、引起机械设备及土木结构的破坏。,振动污染特点：主观性局部性瞬时性,二、振动污染源,环境振动污染的主要来源自然振动：地震、火山爆发等人为振动：工厂振动源、工程振动源、道路交通 振动源、低频空气振动源。,1、工厂振动源,工业生产中的振动源主要有旋转机械、往复机械、传动轴系、管道振动。振级为60100dB,峰值频率在10125Hz范围。,2、工程振动源,3、道路交通振动源,5、低频空气振动源：指人可听见的100 Hz 左右低频。,工程施工现场的振动源主要有打
3、桩机、打夯机、水泥搅拌机、碾压设备、爆破作业以及各种大型运输机车等。振级为60100dB。,主要是铁路和公路振源。在离轨30米处，振动频率在2080 Hz 范围内;振级在75 90 dB范围内。公路的振动频率主要在5-63Hz范围，振级在6590dB 范围。,4、农业机械：拖拉机、收割机、脱粒机。,振动污染源按其形式又可分为：固定式单个振动源；集合振动源。,振动污染源按其动态特征又可分为：,稳态振动冲击振动无规则振动铁路振动。,三、振动的危害,1、振动对人体的危害,按作用于人体的部位和传导方式 局部振动：指振动通过手臂传导至全身。风动工具：铆钉机、凿岩机、捣固机等。电动工具：电钻、砂轮机、铣床
4、等。,煤矿工人使用电钻打眼,工人使用砂轮机打磨工件,工人使用风钻打眼,铁道工人使用捣固机夯实铁轨,全身振动：指通过下肢或躯干传导至全身的振动。交通工具：汽车、火车、船舶、飞机 农机械：拖拉机、收割机等 作业台：钻井平台、振动筛、采矿船等,（1）局部振动全身性 神经系统：以上肢手臂末梢神经功能障碍为主，常以多发性末梢神经炎的形式出现。表现为皮肤感觉迟钝、振动觉和痛觉减退，神经传导速度减慢，反应潜伏期延长等。心血管系统：血压、心率不稳，手多汗等。高频率、小振幅振动可引起血管收缩和血压上升，甚至引发血管痉挛；低频率、大振率振动则可使血管扩张和血压下降，心电图异常。40300Hz的振动可引起末梢毛细血
5、管形态和张力发生改变。,骨骼-肌肉系统：手部肌肉萎缩（鱼际肌和指间肌多见），手握力和手指捏合力下降。40Hz以下大振幅冲击振动可引起骨和关节改变，以指骨、掌骨、腕骨和肘关节多见，主要表现为脱钙、囊样变，骨皮质增生，骨岛形成，无菌性骨坏死以及骨关节变形等。其它系统，如免疫系统、内分泌系统功能异常。与噪声共存时，可加重噪声对听力的损害。,局部振动病：长期使用振动工具而引起的以末梢循环障碍为主的疾病，也可累及肢体神经和运动功能。发病部位多在上肢末端，发作性手指变白是其典型表现。,正常手部颜色,雷诺氏症振动性白指,正常指关节图像,（2）全身振动一般为低频率大振幅振动 振动强度大、时间长，则可产生多器官
6、、系统的不良影响，如机械性损伤，呼吸增强、低碳酸血症，交感神经紧张，抑制胃酸分泌和胃肠蠕动，作业能力与工效降低。振动病：亦称晕动病，由不同方向的振动加速度反复过度刺激前庭器官所引起的一系列急性反应症状。患者先出现疲劳，出冷汗，面色苍白等，继之眩晕、恶心、呕吐，甚至血压下降，视物模糊，频繁呕吐还可引起水电解质紊乱，少数严重反应者甚至出现休克。,2、振动对构建物的危害,振动通过地基传递到房屋等构建物，导致构建物破坏，其影响程度取决于振动的频率和强度。共振的放大作用会带来更严重的破坏的危害。,载重车辆对道路两侧建筑物产生共振，发生地面晃动和门窗抖动。,振动可能引起结构的大变形破坏，有的桥梁曾因振动而
7、坍毁塔科马大桥,2010年5月22日，欧洲最长大桥俄罗斯境内长达7公里的伏尔加河大桥发生离奇晃动,难得一见的飞机“音障”共振现象,战神突破音障,2000年亚特兰蒂斯号航天飞机升空时突破音障瞬间,第二节 振动基础,振动问题的研究方法与分析其他动力学问题不同的是：一般情形下，都选择平衡位置作为广义坐标的原点。,一、简谐振动基本概念,简谐振动：物体运动时，离开平衡位置的位移(或角位移)按余弦(或正弦)规律随时间变化。,1、特征,弹簧振子：连接在一起的一个忽略了质量的弹簧和 一个不发生形变的物体系统。,平衡位置：物体做往复运动时，在某位置所受的力(或力矩)等于零，则此位置称平衡位置。,动力学特征,回复
8、力：作简谐运动的质点所受的沿位移方向的合 外力,该力与位移成正比且反向。,运动学特征:,2.规律,解,取,简谐振动中质点位移、速度、加速度与时间的关系:,3、简谐振动的振幅、周期、频率和相位,(1)振幅:物体离开平衡位置的最大位移的绝对值。,(2)周期和频率,周期：物体作一次完全运动所经历的时间。,频率：单位时间内物体所作完全运动的次数。,圆频率:物体在2 秒内所作的完全运动的次数。,(3)相位和初相,相位：决定简谐运动状态的物理量。,初相位：t=0 时的相位。,相位概念可用于比较两个谐振动之间在振动步调上的差异。,二、简谐振动的合成,1、两个同方向同频率简谐运动的合成,两个同方向同频率简谐运
9、动合成后仍为简谐运动,1）相位差,相互加强,2）相位差,相互削弱,3）一般情况,频率较大而频率之差很小的两个同方向简谐运动的合成，其合振动的振幅时而加强时而减弱的现象叫拍频.,2、两个同方向不同频率简谐运动的合成,讨论,的情况,三、冲击波振动 大多是冲压、锤锻之类的物体碰撞、下落运动产生的振动。所谓冲击是指给予系统的激励，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。,冲击波及其频谱示意图,四、简谐振动系统,作简谐振动的物体通常称为谐振子。这个物体，连同对它施加回复力的物体一起组成的振动系统，通常称为谐振系统,当振动物体不受任何阻力的影响，只在回复力作用下作振动时，称为无阻尼自由振动
10、。,1、无阻尼自由振动 谐振子,当回复力与位移成正比而反向时，所作的无阻尼自由振动才是简谐振动，这时，振动周期和频率完全取决于振动系统本身的各个参量，称为固有周期和固有频率,(一)自由振动,l0弹簧原长；k弹簧刚性系数；,st弹簧的静变形；,取静平衡位置为坐标原点，x 向下为正,当t=0，x=x0时求解得,式中0 为固有圆频率：,0 还可表示为：,f0 为固有频率，与位移和振幅无关：,串联弹簧与并联弹簧的等效刚度,（1）串联,（2）并联,2、阻尼振动,在回复力和阻力作用下的振动称为阻尼振动。,阻尼：消耗振动系统能量的原因。,阻尼系统中存在各种阻力：摩擦力，润滑表面阻力，液体或气体等介质阻力、材
11、料内部的阻力。,在流体(液体、气体)中运动的物体，速度较小时，阻力与速度正比，方向相反，则,C为阻尼系数,弹簧振子受力：弹性恢复力kx，阻力Ff,运动方程:,引入 阻尼因子,C=0，为无阻尼振动；C增大，阻尼增大的振动；C C0，无振动（C0为临界阻尼系数）。,阻尼振动有三种情形,欠阻尼,控制阻尼大小，满足不同实际需要。,阻尼振动不是周期性振动，更不是简谐振动，因位移不是时间的周期函数。但阻尼振动有某种重复性。,振幅随时间作指数衰减。阻尼 大小决定了阻尼振动振幅的衰减程度。,（二）受迫振动,物体在周期性外力持续作用下发生的振动称为受迫振动。,1、无阻尼受迫振动,（1）振动微分方程,振动微分方程
12、,微分方程解：,将 x2 代入微分方程,解得,（2）受迫振动的振幅,幅频特性曲线,（3）共振现象,当 0 时，激振力频率等于系统固有频率，振幅趋于无穷大，这种现象称为共振。,无阻尼系统发生共振时，振幅随时间无限增大。,2、有阻尼受迫振动,运动微分方程的通解为：,在简谐激励作用下，有阻尼系统的总响应由二部分组成：第一部分是衰减振动；第二部分是受迫振动。,引入：,幅频特性与相频特性,1、频率比 0附近区域(低频或弹性控制区)，振幅倍率 1，0，响应(x)与激励(F)同相；对不同的阻尼比，曲线密集，阻尼影响不大。,2、1区域(高频或惯性控制区)，0，响应与激励反相；阻尼影响也不大。,3、=1附近区域
13、(共振区)，急剧增大。通常将=1，即=0 称为共振频率。阻尼影响显著，阻尼愈小，幅频响应曲线愈陡峭。在相频特性曲线图上，无论阻尼大小，1时，总有=/2，这也是共振的重要现象。,幅频特性与相频特性,1、波动的产生 往复运动、旋转运动等周期性运动产生的激振力直接作用于介质，就会发生振动，而振动以波动的形式迁移，或将周期性作用力施加到其他部件或基座上，形成振源。如：压缩机、风钻、振动输送机等。,五、波动的产生与传播,2、共振引起的扩大(1)机器质量和支承弹簧引发的共振一般为多自由度共振，除上下的振动外，还有因回转振动而引起的共振。,(3)建筑物整体或部分会发生共振现象，从而使振动扩大。,(4)当机械
14、或建筑的部分部件的固有频率与传递来的激振力频率一致时，就会发生强烈共振。,(2)激振力传递过程中，可能发生因地质构造引起地基共振的 现象。,3、振动波的种类与形态,振动波的种类与形态,第三节 振动的评价与标准,1、评价指标 描述振动量的基本参数：位移、速度和加速度,一、振动的评价,振动强度 一般用机械振动参数级来描述振动的强度，单位分贝(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。,振动加速度级定义为：,式中：ae为加速度有效值，简谐振动的加速度有效值为加速度幅度的,aref为加速度参考值，国外一般取10-6 m/s2，我国习惯取10-5 m/s2。,振动级（修正的
15、振动加速度级）：,式中：为修正的加速度有效值，,afe为频率为f的振动加速度有效值，cf为振动修正值，如下表所示。,垂直振动与水平振动的修正值,2、振动评价标准,在生理学上，振动强度习惯以g（g=9.80665m/s2）为单位表示加速度。人体对振动的感觉标准为：刚感到振动是0.003g，不愉快感是0.05g，不可容忍感是0.5g。,国际化标准组织（ISO）推荐过一个评价人体在振动环境中疲劳界限标准。我国也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标准（GB/T13442-92）。,按劳动保护标准，振动强弱对人体的影响可分为四种情况：（1）振动的“感觉阈”，人体刚能感觉到振动，对
16、 人体无影响；（2）振动的“不舒服阈”，振动会使人感到不舒服；（3）振动的“疲劳阈”，使人感到疲劳，工作效率降低，实际生活中以该阈为标准，超过者被认为有振动污染；（4）振动的“危险阈”，此时振动使人产生病变。,2、振动评价标准,二、环境振动标准,振动通过土地等介质传到建筑物内或建筑物内，干扰人们的正常生活、工作和学习。因此对建筑物内的振动需要加以限制。,ISO/DIS2631建筑物内振动标准,城市各级区域铅垂方向振级标准值,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)规定了城市各类区域铅垂方向的振级标准值。,第四节 振动控制技术,振动控制与噪声控制类似，但更复杂，
17、具有不同的控制分类方法，广泛采用的振动控制方法如下图。,一、消振振源控制 消除或减弱振源是最彻底和最有效的办法。如改进振动设备的设计和提高制造加工的精度、改善机器的平衡性能、改变扰动力的作用方向、增加机组的质量、在机器上安装动力吸振器等。特别强调要控制共振。当振动机械受到的扰动力频率与设备固有频率一致时，设备振动得更加厉害，甚至起到放大作用。,二、隔振 过程控制 使振动传输不出去，以减小受控对象对振源激励的响应，通常在振源与受控对象之间串一个子系统来实现。1、采用大型基础最常用和最原始的办法,通过增加机械支承台的质量降低振动加速度。如要将机械的振幅控制在容许值以内，也可利用支承台的质量予以调节
18、。,2、采用隔振元件 通常在振动设备下安装隔振器，如隔振弹簧、橡胶垫等，使设备和基础间的刚性连接变成弹性支撑。,弹性减振可分为积极隔振和消极隔振两类。积极隔振（主动隔振）：在机器与基础之间安装弹性支承，即隔振器，减少机器振动激振力向基础的传递量，从而使机器的振动得以有效的隔离。,作用：降低设备的扰动对周围环境的影响，同时减小设备自身的振动。如风机、水泵、压缩机及冲床的隔振都属于积极隔振。,积极隔振示意图,消极隔振（被动隔振）：在仪器设备与基础之间安装弹性支承，即隔离器，减少基础振动对仪器设备的影响。,消极隔振示意图,仪器与精密设备的隔振，房屋下安装隔振器等。,3、防振沟,4、距离衰减,振动的传
19、播随距离的增大而衰减，其影响因素有土质，地层、地下水、频率、振动方向等。若振动有反射或折射边界层时，衰减情况十分复杂。,在振动波传播的方向挖沟，阻止振动的传播，这种沟叫做“防振沟”。如果振动是以地面传播的表面波为主，采用防振沟的方法十分有效。防振沟愈深，隔振效果越好，而沟的宽度对隔振效果影响不大。防振沟中间以不填材料为佳，为了防止其它物体落入沟内，可适当填些松散的锯末、膨胀珍珠岩等材料。,各种地面状况,注意：地基的特征振动，即地基经常性微动，是具有固有特殊周期的振动。接近这种振动频率的激振，振波随距离衰减不大，会引起振动污染。此外，若地面建筑物的固有频率与该频率相近，建筑物容易因共振而受到激励
20、。地基越硬，微振频率越高，固有周期越短。,三、吸振受控对象控制 在受控对象上附加一个子系统使某一频率的振动得到控制，称为动力吸振，也就是利用它产生的吸振力减小受控对象对振源激励的响应。,动力吸振器,可滑动调节动力吸振器,四、阻振，又称阻尼减振 在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量使响应最小，也常用外加阻尼材料的方法来增大阻尼。阻尼可使沿结构传递的振动能量衰减；还可减弱共振频率附近的振动。阻尼材料是具有内损耗、内摩擦的材料，如沥青、软橡胶以及其它高分子涂料。,阻尼层示意图,五、修改结构 通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满足预定的要求，不需要附加任何子系统的振动控制方法。所谓动力学
21、特性参数是指影响受控对象质量、刚度与阻尼特性的那些参数，如惯性元件的质量、转动惯量及其分布等。除上述之外，也有按是否要能源,将振动控制分为无源振动控制与有源振动控制，前者又称为被动振动控制，后者又称为主动振动控制。,第五节 减振材料与装置及其应用,一、减振材料（自学）,2、阻尼材料,常见隔振材料的性能比较,二、减振装置,机械设备和基础之间需选择合理的隔振材料或隔振装置，防止振动能量以噪声形式向外传递。隔振器是用于某一频率范围内衰减振动传输、减弱冲击的隔离器，通常是弹性支撑物。,目前，使用广泛的是金属弹簧隔振器和剪切橡胶隔振器，但以空气弹簧隔振器的隔离效果最好。,1、钢弹簧隔振器,钢弹簧隔振器是
22、常用的一种隔振器，它有螺旋弹簧和板条式钢板隔振器两种类型。,该类产品是一种以减振弹簧、橡胶复合垫、阻尼等组成的预应力吊架减振器。,阻尼弹簧减振器主要用于各类重型机械及冷水机组、冷却水塔、消防水泵、各种风机、发电机、空气压缩机等。,板条式隔振器由多根钢板叠加在一起构成，在充分利用钢板良好弹性的同时，还极好地利用了钢板变形时在钢板之间产生的摩擦阻尼。板条式隔振器多用于火车、汽车的车体减振，只有单方向冲击载荷的场合也可使用板条式隔振器。,板簧,2、橡胶隔振器,橡胶隔振器也是工程中常用的一种隔振装置，其最大的优点是本身具有一定的阻尼，在共振点附近有较好的隔振效果。橡胶隔振器通常采用硬度和阻尼合适的橡胶
23、材料制成，根据承力条件不同，可以分为压缩型、剪切型、压缩剪切复合型等。,橡胶剪切隔振器是由内、外钢套和中间的合成橡胶组成，橡胶部分受剪切力，具有较大的变形范围和较低的固有频率。对于水泵、压缩机、通风机、发电机组、冷冻机等机械设备的积极隔振和仪器表的消极隔振都有良好的隔振效果。,橡胶剪切隔震器,适合于大型设备的运行减振，更利于设备冲击力的吸收，适用于高速冲床、各种锻锤设备的减振安装。,阻尼弹簧减振器,3、空气弹簧,橡胶空气弹簧的型体结构：有一曲、二曲、三曲、四曲等形式。,橡胶空气弹簧是一种由橡胶、网线贴合成的曲形胶囊。胶囊两端部需用两块钢板相连接，形成一个压缩空气室。橡胶与网线本身不提供对负荷的承载力，而是由充入胶囊内的压缩空气来完成。橡胶空气弹簧按照性能与特点又称为：橡胶空气冲程调节器，橡胶空气隔振体。,橡胶空气弹簧,空气弹簧的缺点，是需要有压缩气源及一套复杂的辅助系统，造价昂贵，并且荷重只限于一个方向，故一般工程上采用较少。,工程应用中除单独使用某种隔振材料外，也常将几种隔振材料结合使用，如应用最多的有“钢弹簧橡胶复合式减振器”、“软木弹簧隔振装置”及“毡类弹簧隔振装置”等，这些隔振装置综合了不同材料的优点。,4、液体弹簧（自学）,三、振动污染的控制（自学）,本章作业,1、什么是振动污染？2、振动评价指标有哪些？3、简述常用的振动控制技术。,
