第三章振動(dòng)污染與控制

1、1,振動(dòng)污染與控制,第 三 章,2,3.1.1 振動(dòng)與振動(dòng)污染 3.1.2 振動(dòng)污染源 3.1.3 振動(dòng)的影響,3.1概述,3,第一節(jié) 概述一、振動(dòng)與振動(dòng)污染,物體在某一位置附近來回往復(fù)地運(yùn)動(dòng)，稱為“機(jī)械振動(dòng)”。例如，彈簧振子、音叉、琴以及蒸汽機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)等等。凡有搖擺、晃動(dòng)、打擊、發(fā)聲的地方都存在機(jī)械振動(dòng)。 波動(dòng)是振動(dòng)的傳播過程 ; 振動(dòng)是激發(fā)波動(dòng)的波源.,4,振動(dòng)和波,從平衡位置發(fā)生的振動(dòng)，在介質(zhì)中傳播的過程叫做“波”或“波動(dòng)”。波動(dòng)是能量傳遞的一種形式。 機(jī)械波以實(shí)物（固體、液體或氣體等）為傳播媒質(zhì)。因此波是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式。 形成波必須有兩個(gè)條件：振源及彈性媒質(zhì)。只有在彈性媒質(zhì)中

2、，某個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)才能帶動(dòng)與其相鄰的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。,5,（二）振動(dòng)污染,振動(dòng)超過一定的界限，對(duì)人體的健康和設(shè)施產(chǎn)生損害，對(duì)人的生活和工作環(huán)境形成干擾，或使機(jī)器、設(shè)備不能正常工作。,6,特點(diǎn)：振動(dòng)主觀性和局部性,振動(dòng)的作用不僅可以引起機(jī)械效應(yīng)，更重要的是可以引起生理和心理的效應(yīng)。 振動(dòng)傳遞時(shí)，隨距離衰減大，僅涉及振動(dòng)源臨近的地區(qū)。,7,二、振動(dòng)污染源,自然振動(dòng)源： 人為振動(dòng)源：工廠、工程、道路、低頻空氣 污染源（按形式分）：固定式單個(gè)振動(dòng)源；集合振動(dòng)源 按振動(dòng)源的動(dòng)態(tài)特征分：穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，沖擊振動(dòng)，無規(guī)則振動(dòng)，鐵路振動(dòng),8,三、振動(dòng)的影響,（一）振動(dòng)對(duì)生理的影響 （二）對(duì)心理產(chǎn)生影響 （三）對(duì)工作效率產(chǎn)生

3、影響 （四）破壞構(gòu)筑物,9,全身振動(dòng)和局部振動(dòng),人體是一個(gè)彈性體，各器官都有它的固有頻率，當(dāng)外來振動(dòng)的頻率與人體某器官的固有頻率一致時(shí)，會(huì)引起共振，因而對(duì)那個(gè)器官的影響也最大。 全身受振的共振頻率為 314Hz; 局部振動(dòng)作用的頻率范圍在 201000Hz。,10,全身振動(dòng),全身振動(dòng)是由振動(dòng)源（振動(dòng)機(jī)械、車輛、活動(dòng)的工作平臺(tái)）通過身體的支持部份（足部和臀部），將振動(dòng)沿下肢或軀干傳布全身。,11,接觸強(qiáng)烈的全身振動(dòng)可能導(dǎo)致,內(nèi)臟器官的損傷或位移，周圍神經(jīng)和血管功能的改變，可造成各種類型的、組織的、生物化學(xué)的改變，導(dǎo)致組織營(yíng)養(yǎng)不良，如足部疼痛、下肢疲勞、足背脈搏動(dòng)減弱、皮膚溫度降低；一般人可發(fā)生性

4、機(jī)能下降、氣體代謝增加。振動(dòng)加速度還可使人出現(xiàn)前庭功能障礙，導(dǎo)致內(nèi)耳調(diào)節(jié)平衡功能失調(diào)，出現(xiàn)臉色蒼白、惡心、嘔吐、出冷汗、頭疼頭暈、呼吸淺表、心率和血壓降低等癥狀。 暈車、暈船即屬全身振動(dòng)性疾病。 全身振動(dòng)還可造成腰椎損傷等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)影響。,12,局部振動(dòng)/手傳振動(dòng),局部接觸強(qiáng)烈振動(dòng)主要是以手接觸振動(dòng)工具的方式為主的，由于工作狀態(tài)的不同，振動(dòng)可傳給一側(cè)或雙側(cè)手臂，有時(shí)可傳到肩部。 長(zhǎng)期持續(xù)使用振動(dòng)工具能引起末梢循環(huán)、末神經(jīng)和骨關(guān)節(jié)肌肉運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的障礙，嚴(yán)重時(shí)可患局部振動(dòng)病。,13,局部振動(dòng)病,局部振動(dòng)病是以末梢循環(huán)障礙為主的疾病，亦可累及肢體神經(jīng)及運(yùn)動(dòng)功能。發(fā)病部位一般多在上肢末端，典型表現(xiàn)為發(fā)作性

5、手指變白（簡(jiǎn)稱白指）。我國(guó)1957年就將局部振動(dòng)病定為職業(yè)病。,14,設(shè)備和房屋的振動(dòng),當(dāng)建筑物外有車輛駛過時(shí)，地面振動(dòng)可以通過土壤和基礎(chǔ)傳給房屋結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生振動(dòng)。在適當(dāng)?shù)念l率和振幅下還會(huì)以噪聲形式出現(xiàn)。 振動(dòng)使機(jī)械設(shè)備本身疲勞和磨損，縮短使用壽命；對(duì)于機(jī)械加工機(jī)床，振動(dòng)使加工精度降低。,15,第二節(jié) 振動(dòng)基礎(chǔ)一、振動(dòng)的物理量,簡(jiǎn)諧振動(dòng)：某個(gè)物理量（位移、速度或加速度）按時(shí)間的正弦或余弦變化的振動(dòng)。對(duì)于彈簧振子來說，小球在平衡位置作左右往返的周期性運(yùn)動(dòng)，其空間位置y隨時(shí)間t的變化規(guī)律符合：,16,二、振動(dòng)的性質(zhì),同方向，振動(dòng)頻率相同的正弦波合成后仍是以相同頻率振動(dòng)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。 同方向，不同頻率正

6、弦波合成后不再是諧振動(dòng)。當(dāng)頻率稍有不同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)拍現(xiàn)象。 我們把合振動(dòng)所引起的時(shí)而加強(qiáng)、時(shí)而減弱的周期性現(xiàn)象稱為拍。若兩個(gè)分振動(dòng)振幅相同，拍頻=f1-f2 基波與諧波的復(fù)合波仍是周期波形。,17,三、簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng),（一）自由振動(dòng) （二）受迫振動(dòng) （三）振動(dòng)體與共振,18,1、無阻尼自由振動(dòng)-無外力作用的振動(dòng),由牛頓定律,固有頻率：,19,2、實(shí)際的振動(dòng)系統(tǒng)有阻尼自由振動(dòng),實(shí)際的振動(dòng)系統(tǒng)不可避免地要受到摩擦和其他阻力，即受到阻尼的作用。 系統(tǒng)克服阻尼的作用做功，系統(tǒng)的機(jī)械能隨著時(shí)間逐漸減少，振動(dòng)的振幅也逐漸減小。這種振幅逐漸減小的振動(dòng)，叫做阻尼振動(dòng),20,在實(shí)際振動(dòng)過程中存在著各種各樣的阻尼，

7、這些阻尼可能是振動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)中遇到的介質(zhì)（如：空氣、水或油）的阻力,或是接觸物之間的摩擦力,等等.這些與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的阻力,統(tǒng)稱為阻尼力.,21,固體摩擦：當(dāng)摩擦力與振動(dòng)速度的大小無關(guān)時(shí)（3-11） 粘性摩擦：阻尼力是與速度一次方成正比（3-12） 01,過阻尼態(tài)，已不是振動(dòng)狀態(tài)，而是逐漸衰減的非周期運(yùn)動(dòng),22,（二）受迫振動(dòng),系統(tǒng)在外部策動(dòng)力反復(fù)作用下發(fā)生的振動(dòng)。 例如，揚(yáng)聲器中紙盒的振動(dòng)、蒸汽機(jī)活塞的振動(dòng)以及縫紉機(jī)上縫針的振動(dòng)，都是受迫振動(dòng)的例子。,23,受迫振動(dòng)的機(jī)制,在受迫振動(dòng)中，一方面系統(tǒng)因策動(dòng)力做功而獲得能量，另一方面又因有阻尼而使機(jī)械能損耗。 開始時(shí)，策動(dòng)力對(duì)系統(tǒng)作的功往往大于系統(tǒng)克

8、服阻尼損耗的能量，總的趨勢(shì)是振幅逐漸增大。由于阻力一般是隨速度而增加的，所以當(dāng)振動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，因阻力而損耗的能量也要增多。當(dāng)策動(dòng)力對(duì)系統(tǒng)作功而傳遞給系統(tǒng)的能量，恰好補(bǔ)償系統(tǒng)因阻力而損耗的能量時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械能保持不變，振幅保持穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。,24,（三）震動(dòng)體與共振,共振：激振力的頻率與固有頻率一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。因此，固有頻率也稱共振頻率。 公害頻率：1-100Hz，長(zhǎng)度垮橋、天線、建筑物的固有頻率在此范圍。 無阻尼時(shí)，共振時(shí)，理論上振幅無窮大 有阻尼時(shí)，隨著阻尼比的增大，最大位移振幅逐漸減小。最大振幅頻率為,共振烈度：振動(dòng)產(chǎn)生最大位移振幅,25,四、波動(dòng)的產(chǎn)生和傳播,從平衡位置發(fā)生的任何擾動(dòng)

9、，在介質(zhì)中傳播的過程叫做“波”或“波動(dòng)”。波動(dòng)是能量傳遞的一種形式。 機(jī)械波以實(shí)物（固體、液體或氣體等）為傳播媒質(zhì)。因此波是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式。 形成波必須有兩個(gè)條件：振源及彈性媒質(zhì)。只有在彈性媒質(zhì)中，某個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)才能帶動(dòng)與其相鄰的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。,26,（二）共振引起的擴(kuò)大,激振力有時(shí)以原有的形式傳遞，但多數(shù)場(chǎng)合存在若干種形式的共振現(xiàn)象，激振力受到過濾乃至變形，某些成分被突出、擴(kuò)大后傳遞的現(xiàn)象。,27,（三）振動(dòng)波的種類和形態(tài),在各向同性無限大的固體中，可以有兩種類型的彈性波。一種是縱波（一次波，P波），另一種是橫波（二次波，S波）。 在性質(zhì)不同的固體界面，所產(chǎn)生的波為表面波（瑞利波，R波；樂甫

10、波）,28,縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波.,（可在固體、液體和氣體中傳播）,特征：具有交替出現(xiàn)的密部和疏部（壓縮波或疏密波）.,第二節(jié) 波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ),29,特征：具有交替出現(xiàn)的波峰和波谷（不發(fā)生體積變化）.,第二節(jié) 波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ),橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直的波.,30,瑞利波傳播滯后于P波與S波。運(yùn)動(dòng)由垂直分量和水平分量組成。在公害振動(dòng)中有著重要貢獻(xiàn)。,31,波動(dòng)隨距離的衰減,P波 S波 R波,32,3.3 振動(dòng)的評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn),3.3.1 振動(dòng)的評(píng)價(jià) 3.3.2 環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) 3.2.3 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),33,一、 振動(dòng)的評(píng)價(jià),（一）振動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo) 1、位移、速度、

11、加速度 振動(dòng)量：被測(cè)系統(tǒng)在選定點(diǎn)上選定方向的運(yùn)動(dòng)量。 基本參數(shù)：位移、速度、加速度。,34,2、振動(dòng)級(jí)和振動(dòng)的加速度級(jí)振動(dòng)加速度級(jí)：,35,振動(dòng)級(jí)-修正的加速度級(jí),36,振動(dòng)級(jí)與感覺的關(guān)系,振動(dòng)級(jí)/dB 振動(dòng)感覺 100 墻壁裂縫 90 暖瓶倒地 80 電燈搖擺，門窗發(fā)出聲音 70 門窗振動(dòng) 60 人能感覺到振動(dòng),37,（二）振動(dòng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),振動(dòng)給予人的影響，按受到振動(dòng)的強(qiáng)度和暴露時(shí)間大致有四種情況：“感覺閾”，人體剛能感受到振動(dòng)的信息；“不舒適閾”,人體產(chǎn)生不舒適反應(yīng);“疲勞閾”，人體產(chǎn)生生理性反應(yīng)；“極限閾”（或“危險(xiǎn)閾”），超過它人體會(huì)產(chǎn)生病理性損傷 。在生理學(xué)中，振動(dòng)強(qiáng)度習(xí)慣以g來表示

12、加速度。,38,（二）振動(dòng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),振動(dòng)的勞動(dòng)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：感覺閾(0.003g)、不舒服閾(0.05g)、疲勞(0.5g)閾、危險(xiǎn)閾。（g=9.80665m/m2) 國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)推薦使用ISO02631/I-1985作為人體在振動(dòng)環(huán)境中疲勞界限標(biāo)準(zhǔn)。 GB/T13442-92人體全身振動(dòng)暴露的舒適性降低界限和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。,39,二、振動(dòng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) ISO/DIS2631建筑物內(nèi)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) GB10070-88城市各類區(qū)域鉛垂方向振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值,40,任務(wù)：通過一定的手段使受控對(duì)象的水平滿足預(yù)定要求。 確定振源特性與振動(dòng)特征 確定振動(dòng)水平 確定振動(dòng)控制方法 分析設(shè)計(jì) 振

13、動(dòng)控制,3.4 振動(dòng)控制技術(shù),41,一、振動(dòng)控制方法概述,振動(dòng)源控制（振源消振） 沖擊振動(dòng)-遠(yuǎn)離振動(dòng)源、采用大型基礎(chǔ) 不平衡力引起的振動(dòng)-提高制造質(zhì)量、安裝精度 隔振使振動(dòng)傳輸不出去 振源與受控對(duì)象之間串加一個(gè)子系統(tǒng)：大型基礎(chǔ)、隔振元件（隔振彈簧、橡膠墊） 防振溝里面填松軟物質(zhì),42,吸振在受控對(duì)象上附加一個(gè)子系統(tǒng)使得某一頻率的振動(dòng)得以控制。利用吸振器產(chǎn)生吸振力以減少受控對(duì)象的振源激勵(lì)的響應(yīng)。 阻尼減振在受控對(duì)象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗能量使響應(yīng)最小。 修改結(jié)構(gòu)修改受控對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，不需要附加子系統(tǒng)。 防護(hù)措施：全身振動(dòng)防振鞋 局部振動(dòng)防振手套,43,二、機(jī)械振動(dòng)控制,機(jī)械振動(dòng)

14、：穩(wěn)態(tài)振動(dòng)；沖擊振動(dòng) 降低機(jī)械的振動(dòng)加速度-減少自由振幅倍率,44,2.利用支承臺(tái)架質(zhì)量的減振措施,振動(dòng)傳遞系數(shù)：通過隔振元件傳遞的力與激振力的比值。在忽視阻尼時(shí)，,45,3、利用動(dòng)力吸振的減振措施,當(dāng)機(jī)械安裝不良而形成共振狀態(tài)，在受控對(duì)象上附加一個(gè)子系統(tǒng)使得這一頻率的振動(dòng)得以控制,46,三、彈性減振,（一）彈性減震原理 振動(dòng)傳遞系數(shù)通過隔振元件傳遞的力與激振力的比值 P127 例3-4,47,彈性減振方法,積極隔振：減少機(jī)器振動(dòng)激振力向基礎(chǔ)的傳遞量 降低設(shè)備的擾動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響 消極隔振：減少基礎(chǔ)的振動(dòng)對(duì)儀器設(shè)備的影響-達(dá)到保護(hù)儀器的目的,48,四、阻尼減振,對(duì)于薄板類結(jié)構(gòu)振動(dòng)及其輻射噪聲

15、，在其結(jié)構(gòu)或部件表面涂貼阻尼材料也能達(dá)到減振降噪的效果。 自由阻尼層-振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能 約束阻尼層-阻尼層振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，約束層結(jié)構(gòu)可以提高機(jī)械振動(dòng)的能量消耗。,49,五、沖擊減振,積極沖擊隔離：隔離具有脈沖沖擊力的機(jī)械，減少其對(duì)環(huán)境的影響 消極沖擊隔離：隔離基礎(chǔ)的脈沖沖擊，保護(hù)儀器的工作 緩沖：緩沖材料介于互相碰撞的物體之間，使碰撞的沖擊力比直接碰撞低。 隔離：通過隔振元件，使激振力減弱。,50,六、傳播途徑的減振對(duì)策,振動(dòng)隨距離的衰減是振動(dòng)傳播阻斷措施之一，還可以采用防振溝和隔墻。 瑞利波常見的界面彈性波，是沿半無限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ钠癫?。由 L.瑞利于 1887 年首先指出其存

16、在而得名。地震學(xué)中稱其為R波或L波。在表層附近，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓；在離表面為 0.2 個(gè)波長(zhǎng)的深度以下，其運(yùn)動(dòng)軌跡仍為橢圓，但運(yùn)動(dòng)方向與表層相反。在自由表面上，質(zhì)點(diǎn)沿表面法向的位移約為切向的 1.5 倍。瑞利波的波速與頻率無關(guān) ，只與介質(zhì)的彈性常數(shù)有關(guān)，為同介質(zhì)中橫波波速的 0.8620.955 倍。 波速隨頻率或波長(zhǎng)而變化，這種現(xiàn)象叫做頻散,51,樂甫波（Love wave），一種常見的界面彈性波。在彈性介質(zhì)界面上存在一層低波速?gòu)椥愿采w層時(shí)，在該覆蓋層內(nèi)部和界面上可能出現(xiàn)的介質(zhì)所有質(zhì)點(diǎn)沿水平方向振動(dòng)的橫波。因A.E.H.樂甫建立這種波的數(shù)學(xué)模型而得名。其波速不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，而且與頻率

17、有關(guān)，這種現(xiàn)象叫做頻散。波長(zhǎng)很長(zhǎng)的樂甫波的波速接近于下層介質(zhì)中橫波的波速；波長(zhǎng)很短的樂甫波的波速接近于上面低波速覆蓋層中橫波的波速。 重視：地基經(jīng)常性微動(dòng),52,七、振動(dòng)衰減：振源傳播經(jīng)過地面隨距離而衰減，受土質(zhì)、地層、頻率等影響,設(shè)地面為半無限勻質(zhì)彈性體，則兩地間的振動(dòng)衰減為：,實(shí)際上振動(dòng)距離衰減由于不同的波而不同，且地基引起的內(nèi)部擴(kuò)散作用更大。,53,3.5 減振材料與裝置及其應(yīng)用,一、減震材料 （一）隔振材料 橡膠 軟木 玻璃纖維、毛氈,54,（二）阻尼材料,黏彈性阻尼材料-兼有黏性液體可以損耗能量和彈性固體的良好減振性能（橡膠、塑料），用損耗因子來衡量，受溫度限制 復(fù)合材料：用薄黏彈性材料將幾層金屬板黏粘在一起，工藝簡(jiǎn)單，同樣的阻尼層與金屬的結(jié)合有自由阻尼層和約束阻尼層。 阻尼合金：導(dǎo)熱快、耐高溫，可直接用作機(jī)器材料，價(jià)格高 庫(kù)侖摩擦阻尼材料 其他,55,二、減振裝置隔振器：用于某一頻率范圍內(nèi)衰減的振動(dòng)傳輸?shù)母綦x器，通常是彈性支撐物,鋼彈簧隔振器：承載力大、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣。安裝時(shí)要注意平衡穩(wěn)定性 橡膠隔振器：阻尼特性好，接近共振區(qū)也可用、固有頻率低，隔振緩沖和隔聲性能好。受溫度和油污限制 空氣彈簧：隔振效率高，具有粘性阻尼，隔振性能良好。