原创 隔振系统的评价

隔振的目的是为了减小振动的传递。对于工程实践中具体的隔振设计而言，人们最关心的无疑是通过隔振，被保护对象的振动量级获得了多大程度的衰减或控制。在隔振设计时，对系统的结构参数优化设计一般是围绕隔振效率展开的。因此，效果评估指标的确定是效果评估体系的核心内容。完整的效果评估体系应包含两方而的内容：一是对系统的隔振效果进行理论分析预测；其次则是对实际隔振效果进行测定。日前常用的隔振效果评估指标有力传递率、插入损失、振级落差、功率流等。一般以力传递率作为隔振效果的理论预测依据。但是对于实际效果的测定，由于力传递率是不易测量的，因而通常采用插入损失或振级落差来评定各种实际系统的隔振效果。本章首先分析这些指标参数，而后再分析这些指标参数之间的关系。

图1 典型隔振系统 a)弹性安装系统， b) 刚性连接系统

1. 力传递率

力传递率是最早的隔振效果评枯指标，定义为传递至基础的力与激励力之比。经典的隔振理论分析都是采用力传递率。对于图1所示的系统，由前面的分析可知，其力传递率L_f用分贝表示为：

式中由于取了倒数，因此有衰减作用时，L_f均大于0。

在工程实际中，特别是在船舶上，安装基座都是非刚性的，因此就会出现这样的现象：同一台设备采用相同的弹性支承，但安装在不同型号的船舶上或装在同一船舶的不同位置，其隔振效果是不同的。这是由于基座阻抗特性的变化对隔振效果的影响。另外在工程实际中，准确测试隔振器两端的真实作用力是比较困难的，因此需要引入其它评估指标，以便于隔振效果的实际测量，常用的有插入损失和振级落差。

2. 插入损失

隔振系统的插入损失定义为采取隔振措施前后基础响应的有效值之比的常用对数的20倍。随着所选取的基础响应的不同，相应地有位移插入损失、速度插入损失和加速度插入损失。与插入损失相对应的概念是插人响应比R，定义为有隔振装置时基础响应与没有隔振装置时基础响应的比值。以速度响应为例，对图1所示的系统，插入响应比R的表示为：

同时采用对数分贝表示时，系统插入损失为：

插入损失可以实测，但实施较为困难。如果成批建造的产品，其结构、尺寸及所用材料完全相同，只是设备的安装方式不同，则在不同安装方式的两设备上，进行同一点振动响应的测量，就可以得到插入损失的较准确的数据。但对已装好的弹性安装机组，将其重新换装成刚性安装进行测量将难以实施，特别是对于大型机组，则几乎不可能。对于中小型机组，可以专门制作一些与隔振器同样高度的钢块，换下全部隔振器，将机组改装为刚性支承进行测量。也可用带斜面的钢楔近似代替钢块，但这样做改变了支承条件，削弱了支承刚性，影响到测量精度。

3. 振级落差

振级落差定义为被隔振设备振动响应的有效值与对应基础响应的有效值之比的常用对数的20倍。和插入损失一样，振动响应可以是位移、速度或加速度，相应地称为位移振级落差、速度振级落差和加速度振级落差。对于单频简谐振动而言，只者是一致的。振级落差有时又被称为传输损失。与振级落差相对应的概念是振级落差比。以速度响应为例，对图3.3.1所示的系统，振级落差比D定义为：

振级落差L_D与振级落差比D的关系为：

当用振级表示时，有：

式中：L_v1和L_v1相应地为隔振器上下方的振动速度级；v₀为基准速度：v₀=1 nm/s。

    振级落差的测量比较容易实现，也是实践中用得最多的。根据所测的量分为速度振级落差和加速度振级落差，但两者既相互联系，又有区别。振动的传递主要是能量的传递，速度能代表传递能量的大小，而在测量中，一般都使用加速度传感器，要得到速度则必须通过积分网络，容易引起误差，且加速度能正确反映高频振动情况。事实上，对于频率一定的简谐振动而言，速度和加速度之间具有简单的转换关系，因此在同一窄带频率上，速度振级落差和加速度振级落差事实上是一样的。如果要求用总振动级来评价隔振系统的隔振效果，则必须说明用的是速度振级落差还是加速度振级落差，因为总振动级综合了各种频率分量，选用速度振级落差或加速度振级落差所得出的总振级落差是不同的。

在工程实践中，机械设备的干扰源往往非常复杂，且由多个频率成分组成，而隔振装置中各组成元件的阻抗特性也是随频率变化的，因此在各个频率下的隔振效果是各不相同的。一般用频谱曲线绘出v₁(f)和v₂(f)的变化情况，并以低阶主要干扰频率处的振级落差来表示隔振装置的隔振效果。

需要特别注意的是，振级落差与机组的阻抗特性Z_m无关，只取决于隔振器和基础的阻抗特性。在隔振器一定的情况下，基础阻抗特性的变化将对振级落差产生很大的影响。当基础刚性很大时，无论扰动频率怎样变化，v₂/v₁总是一个很小的值，即使扰动接近甚至等于隔振系统的固有频率时，v₂/v₁也不会很大，以至得出隔振效果良好的错误评价。而当基础刚性不大时，当扰动频率与基础的第一阶固有频率相一致时，Z_F达到最小值，L_D会出现低谷，从而得出隔振效果不佳的片面评价。这是因为振级落差是直接在隔振器上、下测量的，受基础支承而局部振动的影响极大。因此，振级落差这个指标并不能确切地反映隔振装置的真实隔振效果，它只能作为一种近似的评价指标。

4. 各评估指标之间的关系

在力传递率、插入插失、振级落差三个指标中，在非刚性基础情况下，插入损失适合作为隔振效果评价指标。但是由于插入损失的实测比较困难，因此有必要进一步讨论三者之间的关系，以利用实测振级落差来估算插入损失。考虑到隔振器阻抗较小，在一般情况下，有：Z_I<<Z_F。这样，由以上各式可以得出插入损失与力传递率之差为：

振级落差与插入损失之差为：

振级落差与传递率之差为：

由以上三式可知，插入损失和力传递率之差仅与Z_M和Z_F有关，而与弹性支承的阻抗特性Z_I无关。振级落差虽只取决于弹性支承和基础结构的阻抗特性，而与设备的阻抗特性无关，但它与力传递率之间的差异仍与Z_M/Z_F有关。图2为各种Z_M/Z_F比值下三者之间的关系。

图2 不同Z_M/Z_F比值下各种隔振评价指标之间的关系

从图3.3.2可以看出：

(l) 当Z_M<<Z_F时，L_I-L_f→0。这时的插入损失接近力传递率，且基础的刚性越大，两者越接近。在极限情况下，当基础为完全刚性时，两者之差为零。因此在这种情况下，可以用插入损失来代替传递率。但此时的振级落差→∞，即此时如采用振级落差来评价隔振效果，将会失去意义。因此，陆用机组一般不采用振级落差来评价隔振效果。一般可用插入损失代替传递率的大致范围为Z_M/Z_F≤0.25。

    (2)当Z_M≈Z_F时，L_D-L_f→0，这时的振级落差接近力传递率，而插入损失则相差较大。一般当0.7≤Z_M/Z_F≤1.4时，可用振级落差来代替传递率。在工程实际中对装有公共底座的小型隔振机组(如船用辅机、泵、压气机等)上船安装后就属于这种情况。此外，一般试验台的基础阻抗要比发动机阻抗大2倍左右，基本上也属于这个范围。从图2中可以看出，在这个范围内振级落差和插入损失之间的差值为5-10dB。

    (3)当Z_M>>Z_F时，L_D-L_I→0。在此区域内，无论是插入损失还是振级落差都和传递率相差很大，但插入损失和振级落差的差值随着Z_M/Z_F.的增大而逐渐减小。因此，在此范围内用振级落差代替插人损失所带来的误差不大。

    一般当Z_M/Z_F≥0.25时，L_D-L_I≤3dB。在这种情况下，可用振级落差来评定隔振效果。在船舶工程实践中，根据大量实船测量的结果，船舶内燃机的Z_M/Z_F值约为3-4之间，即船舶内燃机安装基座的阻抗远小于其上机组的阻抗，已不符合刚性基础的假设，不能再用传递率来衡量隔振效果，但可以用振级落差代替插入损失进行评价，且误差不大。因此在船舶行业中振级落差被广泛采用。

下图为测试隔振器上下振级落差的典型现场，即同步测量隔振器两端的振动特性，从而得到隔振器的振级落差。

隔振测试现场

上端振动结果和频谱

基座振动和频谱