典型振动源与传递本节重点探讨容纳精密设备的建筑物中的振动问题，如科学测量系统。建筑物中的主要振动源包括：列车、大型车辆（如卡车）、邻近设备和机械（包括暖通空调系统），以及极少数情况下的地震事件。另一重要来源是设施周边的大型施工活动，特别是打桩作业。诸如VC曲线这样的指标旨在确保敏感设备能够在存在上述振动源的情况下仍能正常工作。在某些情况下，工程师需要评估特定的建筑位置是否符合给定的VC曲线的要求。为此，工程师必须评估：各种振动源的强度和频率成分各种源信号沿地面传播及进入建筑物的预期衰减量隔振安装（如采用）的影响在早期设计阶段，边界条件用于估算最坏情况下的振动水平。如这些水平值超出目标VC曲线（或其他相关指标），则需进行更详细的评估，可能包括在目标设备位置与关键振源点或传递路径上的中间点之间进行传递函数的测量。通过地面传播振动测量可估算振源强度，结合传递函数可得到预期振动水平的详细预测。这些预测常用于选择最佳的设备位置，并决定是否需要采用昂贵的隔振安装。图6为大型地震事件附近地面水平振动的典型时间历程，以位移、速度和加速度的形式显示。尽管地震事件强度巨大，但其特征具有典型性，表现为持续数秒的强瞬态现象。 图6  典型地震事件的振动加速度（上）、速度（中）和位移（下）表1摘自文献[8]，汇总了施工活动（包括重型卡车运输）产生的典型振动水平。图7同样摘自[8]，展示了在轨道不同距离处多趟列车产生的振动水平的实测值。其显著差异不仅源自列车类型的不同，更重要的是地面传导存在差异。我们脚下的土地由多层成分各异的土壤构成、千差万别，因此波传播速度也各有不同，有时还会产生显著衰减。这些土壤层的下面是坚硬的基岩。基岩支持振动波的快速传播，且衰减极小。不同地点之间的地质差异导致显著的传播衰减现象的产生。这一点在估算建筑物内振动水平时必须予以考虑。图8比较了同一列车在三个不同的国家（法国、意大利和瑞典）地面振动水平随距离的变化情况。我们添加了图3所示的通用65 VdB要求，该值约对应图5中的VC-A。满足要求的距离在法国为150英尺、在意大利为250英尺，而在瑞典则需要建筑物距离铁轨超过500英尺才能满足要求。 表1  施工设备和卡车运输的典型振动源强度（摘自[8]） 图7  列车距轨道不同距离处的振动源强度（摘自[8]）  图8 在不同国家，列车距轨道不同距离处的振动源强度（摘自[8]） 04加速度计的选型对高精密制造设备而言，VC-A标准过于宽松。为评估是否符合更严格的振动要求，需使用高灵敏度加速度计。如图9所示，如PCB® 352C03这样的标准型号能够测量低于VC-B水平的振动。图9中，加速度计的本底噪声（来自其规格表。本底噪声和相关限值的指导见[9]）以1/3倍频程的RMS速度值得出（与VC曲线格式一致）。最低标准的VC曲线是VC-G。它规定所有频率下都采用恒定的0.781 μm/s速度限值。NIST-A是更为严格的振动要求，曾用于美国国家标准研究院（NIST）先进测量实验室的设计。NIST-A曲线要求在20 Hz以下保持恒定的25 nm位移限值。还记得前文讨论过的频率依赖关系吗？恒定位移要求导致NIST-A速度曲线随频率降低而呈下降趋势。图10对PCB®新型超高灵敏度加速度计393C31与VC-G和NIST-A标准进行了比较。您可使用该加速度计在全部频率下评估VC-G合规性，在低至0.5 Hz的频率下评估NIST-A合规性。  图9 PCB® 352C03本底噪声与VC-B振动限值的对比 图10 PCB®单轴地震型加速度计本底噪声与VC-G、NIST-A限值的对比 05多轴指标与加速度计动态刚度也是经常用到的振动指标。使用安装于地面或地基上的加速度计，并通过大型激振器或力锤施加已知的输入力，就可以测量动态刚度。典型的动态刚度指标如表2所示。表中给出了三个方向上的刚度数值，还给出了旋转刚度（动态力矩除以旋转角度）。评估地基是否满足此类要求需要使用不止一个加速度计。三轴加速度计（如PCB®的新型地震型加速度计354A12）为测量多个地基动态刚度提供了一种极为简便的方法。通过在两个水平轴向按已知间距放置三个三轴加速度计，工程师就可以计算和指标比对所需的全部传递函数。请注意：许多工程师都曾通过将三个单轴加速度计安装在金属立方块上来模拟三轴测量。若操作谨慎，这种方法是可以接受的。然而，如果加速度计没有正确安装（最佳安装方法见[10]），或者其相对方向未严格保证正交（按右手法则，彼此成90度），则极易导致测量结果产生显著偏差，尤其在估算旋转刚度时。 表2 典型的半导体设备基础最小动态刚度要求示例三轴加速度计的关键性能指标之一是串扰，即在相对于所施加力的离轴方向上产生的最大信号量。例如，当沿X方向驱动系统时，在Y方向上会测到多少虚假振动？每个PCB®传感器在参数表中都给出了横向灵敏度，是对这种效应的定量描述。三轴加速度计需要经过仔细的组装，以最大程度减小串扰。 06结论满足振动指标比满足声学指标更具挑战性。声学上的要求通常仅限于规定可接受的最大声压级，而振动指标可能要设定位移、速度和加速度等限值，还可能需要设定动态刚度限值。这些指标经常需要在三个方向上设定，有时还包括旋转。不同工程领域对振动指标的表述还可能存在差异。这使得测试工程师很难确保全面合规。在精密制造领域，最常用的指标当属速度标准（VC）曲线。该曲线定义了一系列在一定频率范围内保持恒定的振动限值，对应不同的振动水平。PCB®的地震型加速度计能够满足严格的VC-G曲线要求。393C31等高灵敏度型号还能够在0.5 Hz以上的频率范围内符合更严格的NIST-A标准。当需在多个自由度上指定动态刚度时，使用三轴加速度计是一个精准、方便的获取全部所需测量数据的方法。