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光学隔振平台常见参数图简介

发布时间:2017-01-05


光学平台隔振系统的主要功能是减弱因振动导致的光学元件相对位置改变。隔振桌腿用于将地面振动在到达桌面前过滤掉,而桌面蜂窝结构可以有效降低来自桌面的振动以及桌腿未能过滤的振动。

顺应性曲线

顺应性曲线(Compliance Curve)描述了平台表面在响应振动时产生的形变。作为传递函数曲线,它表征桌面上一点在特定频率下对动态作用力的位置响应。实测中该力由校准锤产生,当其击打桌面时,输出与力成正比的信号。蜂窝结构桌面的顺应性曲线如下图所示。

从0Hz开始直到数百赫兹,顺应性向下直线递减。这一斜率一致的区间亦称为刚体线(Rigid Body Line),在该区间内桌面是刚性的,表面无相对运动。曲线的位置会因系统重量改变,但斜率始终取决于物理性质。图中每十倍频率衰减40dB这一斜率由受力加速度和位置改变的关系给出。

当频率较高时,曲线会表现出不连续性。这些不连续的峰对应着平台的固有共振(Natural Frequencies):第一个显著的共振可能由扭转或挠曲形变产生,而之后是其他模式和谐振。蜂窝结构相比花岗岩结构适合更多应用,正是因为较高的刚度——自重比(Stiffness-to-Weight Ratio)使其共振模式的频率更高,从而在高频下产生以下三项优势:

  • 更少的来自环境的振动

  • 来自给定加速度(受激力)的更小的位移(形变)

  • 更有效的隔振系统

另外,顺应性曲线还表征桌面阻尼的信息。阻尼可以降低平台表面的相对运动,越尖锐的峰对应的阻尼越小。蜂窝结构通常比花岗岩结构包含更多固有阻尼,因此尽管花岗岩结构的顺应度绝对值可能更小,但阻尼蜂窝结构的表面各点会有更少的相对运动。蜂窝结构平台提供多种阻尼方式,其中宽带阻尼技术在减低宽频区间相对运动时更有效,而窄带阻尼技术可以完全消除某一类(或多类)特定模式的共振。阻尼平台的顺应性曲线更平滑。

振动传递率曲线

振动传递率曲线(Transmissibility Curve)表达的是隔振桌腿的过滤功能。换言之,它表征有多少地面振动经由桌腿传递到桌面。该曲线由桌腿顶部和地面两处的振动比测得。气浮桌腿的振动传递率曲线如下图所示。

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曲线从(0Hz,0dB)原点开始。当频率很低时,桌腿本质上是刚体,任何振动都会被传递到桌面。之后曲线上升,在1-2Hz时达到峰值。此即桌腿的固有共振(Natural Frequency)和最大放大倍数。图中任何一处曲线高于1(Unity Transmission)时,桌腿都将放大振动。轻阻尼(Lightly Damped)隔振腿对应高而尖的峰,而重阻尼(Heavily Damped)隔振腿对应低而平滑的峰。大多数桌腿在固有共振频率处都放大3到4倍振动。当频率增大并超过桌腿共振频率后,曲线迅速下降,振动传递率降到1以下后桌腿开始“隔振”。开始隔振时的频率(Crossover Frequency)约为固有共振频率的1.4倍。随着曲线下降,机械高通滤波愈加有效。大部分桌腿在10Hz时可过滤超过90%的地面振动,100Hz时可过滤99%的振动。


优质光学隔振平台的设计应遵循:
尽量高的桌面共振频率,以将地面振动的影响最小化
尽量低的桌腿共振频率,以最大化地过滤高频振动