如何為精密設(shè)備“隔離"振動(dòng)？——深入解析被動(dòng)隔振原理與關(guān)鍵參數(shù)

在前期內(nèi)容中，我們已認(rèn)識到振動(dòng)對精密設(shè)備的 “隱形傷害"，并掌握通過 VC 曲線開展 “環(huán)境體檢" 的方法。當(dāng)振動(dòng)問題浮現(xiàn)，被動(dòng)隔振作為應(yīng)用zui廣泛的解決方案，憑借無需外部能量、成本低、可靠性高的優(yōu)勢，成為多數(shù)精密設(shè)備的shou選。本文將聚焦被動(dòng)隔振，系統(tǒng)拆解其物理本質(zhì)、核心原理、設(shè)計(jì)邏輯與性能評估標(biāo)準(zhǔn)，為被動(dòng)隔振方案的選型與設(shè)計(jì)提供理論支撐。

一、       隔振的本質(zhì)：打造一個(gè)安靜的“微環(huán)境"

隔振的核心目標(biāo)并非消除所有振動(dòng) —— 現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)，而是在振動(dòng)源頭（如地面、設(shè)備周邊環(huán)境）與受保護(hù)的精密設(shè)備之間，構(gòu)建一個(gè) “振動(dòng)過濾器"。該過濾器通過改變振動(dòng)能量的傳遞路徑與效率，大幅衰減傳遞至設(shè)備的振動(dòng)能量，將振動(dòng)影響控制在設(shè)備允許的精度范圍內(nèi)，最終保障設(shè)備運(yùn)行精度、數(shù)據(jù)可靠性與使用壽命，為設(shè)備創(chuàng)造相對靜止的 “微環(huán)境"。

以半導(dǎo)體行業(yè) 7 納米芯片光刻工藝為例，光刻機(jī)工作臺需在納米級精度下完成移動(dòng)。若地面?zhèn)鬟f 0.01 毫米（約頭發(fā)絲直徑 1/5）的振動(dòng)，會直接導(dǎo)致光刻圖案偏移，造成晶圓報(bào)廢。此時(shí)，被動(dòng)隔振技術(shù)需將外界振動(dòng)對工作臺的影響控制在 “亞納米級"，通過彈性與阻尼元件的協(xié)同作用，為光刻過程構(gòu)建 “振動(dòng)可忽略" 的穩(wěn)定環(huán)境，這正是被動(dòng)隔振本質(zhì)的典型體現(xiàn)。

二、被動(dòng)隔振核心概念與關(guān)鍵性能參數(shù)

理解被動(dòng)隔振的基礎(chǔ)是掌握其核心概念與性能指標(biāo)，這是后續(xù)原理分析與設(shè)計(jì)的前提。

1、基礎(chǔ)概念定義與作用

2.       關(guān)鍵性能參數(shù)解析

l                      隔振效率（η）：與振動(dòng)傳遞率互補(bǔ)，計(jì)算公式為 η=(1-T)×100%。例如，當(dāng) T=0.2 時(shí)，η=80%，表示 80% 的振動(dòng)能量被隔離，僅 20% 傳遞至設(shè)備，直觀反映被動(dòng)隔振系統(tǒng)的能量衰減能力。

l                      共振峰值（Tmax）：被動(dòng)隔振系統(tǒng)在共振點(diǎn)（r=1，即激勵(lì)頻率 = 固有頻率）時(shí)的最大傳遞率。忽略阻尼時(shí)，Tmax趨近于無窮大；實(shí)際應(yīng)用中，需通過合理設(shè)計(jì)阻尼，將 Tmax控制在＜5 的安全范圍，避免共振導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)損壞或精度失效。

l                      頻率響應(yīng)范圍：被動(dòng)隔振系統(tǒng)有效工作的頻率區(qū)間， f> f0的頻段。例如，若系統(tǒng)

f?=2Hz，有效隔振范圍為 f＞2.828Hz，無法對 2.828Hz 以下的低頻振動(dòng)起到隔離作用，這是被動(dòng)隔振的固有特性。

三、被動(dòng)隔振（Passive Vibration Isolation）核心原理：單自由度質(zhì)量 - 彈簧 - 阻尼系統(tǒng)

被動(dòng)隔振是zui常用的隔振方式，無需外部能量輸入，僅通過彈性元件（如彈簧、橡膠）、阻尼元件（如阻尼器）構(gòu)成的系統(tǒng)改變振動(dòng)傳遞特性。

最基礎(chǔ)且最重要的理論模型是單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)（圖1）。它抽象地描述了被動(dòng)隔振系統(tǒng)的核心物理特性，是所有復(fù)雜隔振器設(shè)計(jì)的理論基石。

1、系統(tǒng)模型構(gòu)成

該系統(tǒng)是理解被動(dòng)隔振的基礎(chǔ)模型，包含三個(gè)基本元素：

           圖1

l                      被隔離的質(zhì)量塊（M：被隔振負(fù)載的質(zhì)量）： 代表需要被隔離的負(fù)載，在此處被簡化為一個(gè)無內(nèi)部共振的單質(zhì)量塊（單位：kg）。

l                      彈簧（k：彈簧的剛度）： 代表隔振器的彈性支撐元件（如TMC氣動(dòng)隔振器中的空氣彈簧），作用是支撐負(fù)載，并對負(fù)載施加一個(gè)力，該力由以下公式給出：

其中和和分別代表地面（振源）和負(fù)載的動(dòng)態(tài)位置；彈簧剛度 k 越小，系統(tǒng)固有頻率 f?越低，越容易進(jìn)入有效隔振區(qū)。

l                      阻尼器（b：阻尼系數(shù)）：代表消耗振動(dòng)能量的元件如TMC Gimbal Piston中的阻尼孔、MaxDamp中的阻尼油），通過將質(zhì)量塊的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量（如阻尼孔中流體的摩擦熱）實(shí)現(xiàn)能量耗散，最終使系統(tǒng)恢復(fù)靜止。這是通過產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載相對于地面的速度成正比且方向相反的力來實(shí)現(xiàn)的：

從力學(xué)公式可見，兩個(gè)方程中都存在，地面振動(dòng)通過彈簧與阻尼器以力的形式傳遞至被隔離質(zhì)量塊，被動(dòng)隔振的核心就是通過調(diào)整 k、b、M 的參數(shù)，改變振動(dòng)傳遞效率，實(shí)現(xiàn) “過濾" 振動(dòng)的目標(biāo)。

2、       振動(dòng)傳遞率公式與曲線特征

通常，我們不使用參數(shù)M，k，b和來描述系統(tǒng)，而是定義一組新的參數(shù)，這些參數(shù)能更直接地與質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)的可觀測特性相關(guān)聯(lián)。

第一個(gè)是固有頻率：

它描述了在沒有任何阻尼（b=0）的情況下，系統(tǒng)自由振蕩的頻率。通常使用以下兩個(gè)常見參數(shù)之一來描述系統(tǒng)中的阻尼：品質(zhì)因子Q和阻尼比ζ

這個(gè)理想化系統(tǒng)的傳遞率為：

         （1）

下圖繪制了對于幾個(gè)不同的品質(zhì)因子Q，系統(tǒng)傳遞率隨頻率比變化的曲線。所繪制的Q值范圍從0.5到100。Q=0.5的情況是一個(gè)特例，稱為臨界阻尼，是指當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生位移后釋放時(shí)，不會超過平衡位置的阻尼水平。阻尼比就是系統(tǒng)阻尼與臨界阻尼的比值。我們使用Q而不是ζ，是因?yàn)橐驗(yàn)閷τ赒 大于約2的情況下，在ω=ω0的時(shí)候，T≈Q。（其中ω和ω0為角頻率，ω=2πf）。

圖2

不同 Q 值（阻尼水平）的系統(tǒng)，傳遞率隨頻率比 r（，f為激勵(lì)頻率，f0為固有頻率） 的變化呈現(xiàn)明確規(guī)律，可分為三個(gè)階段

l                      同步振動(dòng)段（r＜1，即 f＜f?）：T≈1，被隔離質(zhì)量塊隨地面同步運(yùn)動(dòng)，彈簧與阻尼器無法起到隔振作用。例如，當(dāng)?shù)孛嬲駝?dòng)頻率為 1Hz，系統(tǒng) f?=2Hz 時(shí)，設(shè)備會跟隨地面 1Hz 的振動(dòng)同步晃動(dòng)，無隔振效果。

l                      共振危險(xiǎn)段（r≈1，即 f≈f?）：T＞1，振動(dòng)被放大，放大倍數(shù)約等于 Q 值（Q 越大，共振峰值越高）。若此時(shí) Tmax＞5，可能導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)變形或精度失效，需通過增大阻尼（減小 Q）降低共振峰值。

l                      有效隔振段（r＞，即 f＞ f?）：這是隔振器發(fā)揮作用的區(qū)域。T 隨 r2 的增大而減小，隔振效果逐漸增強(qiáng)。此時(shí)阻尼越小（Q 越大），T 值越小，隔振效果越好。可見低阻尼在有效隔振段更具優(yōu)勢。

這一曲線清晰揭示了被動(dòng)隔振的核心矛盾：阻尼增大可抑制共振，但會削弱有效隔振效果；阻尼減小能提升有效隔振效果，但會加劇共振風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際場景平衡二者關(guān)系。

直接施加在負(fù)載上的力傳遞到負(fù)載的運(yùn)動(dòng)幅值，其形式與公式1表達(dá)的略有不同。這個(gè)傳遞函數(shù)具有單位力引起的位移的量綱（如 m/N），因此不應(yīng)與（無量綱的）傳遞率混淆：

下圖繪制了此函數(shù)隨頻率變化的曲線，降低 Q 值會在所有頻率減小負(fù)載的響應(yīng)。

圖3

TMC的MaxDamp®隔振器正是利用了這一特性，適用于主要擾動(dòng)產(chǎn)生于被隔振負(fù)載本身的應(yīng)用。圖4顯示了與圖3中曲線相對應(yīng)的負(fù)載的時(shí)域響應(yīng)。該圖也說明了系統(tǒng)一旦受到擾動(dòng)后的衰減情況。衰減的包絡(luò)線為 。

圖4

實(shí)際系統(tǒng)與圖1所示的簡單模型存在一些顯著差異，最重要的一點(diǎn)是實(shí)際系統(tǒng)具有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度((DOF)。這些自由度并非獨(dú)立，在大多數(shù)系統(tǒng)中存在強(qiáng)烈的耦合。例如，“水平傳遞函數(shù)"通常顯示兩個(gè)共振峰，因?yàn)樨?fù)載的水平運(yùn)動(dòng)會引起傾斜運(yùn)動(dòng)，反之亦然。

四、       隔振器的設(shè)計(jì)目標(biāo)、思路與關(guān)鍵權(quán)衡

（一）核心設(shè)計(jì)目標(biāo)

被動(dòng)隔振器的設(shè)計(jì)核心是 “匹配固有頻率 f?與阻尼比 ζ"，實(shí)現(xiàn)兩大目標(biāo)：

(1)                      確保系統(tǒng)能進(jìn)入有效隔振區(qū)（r＞），即讓設(shè)備實(shí)際面臨的主要振動(dòng)頻率 f＞f0

(2)                      將共振峰值控制在安全范圍，避免共振對設(shè)備造成損害。

因此，隔振器最核心的設(shè)計(jì)目標(biāo)非常明確。根據(jù)固有頻率公式，降低 f?是擴(kuò)大有效隔振區(qū)的關(guān)鍵 ——f?越低，有效隔振區(qū)的起始頻率（ f0）越低，能覆蓋更多低頻振動(dòng)場景（如地面常見的 2-10Hz 振動(dòng)）。其中：k是隔振器的剛度（越“軟"越好）m是隔振器所承載的質(zhì)量（越“重"越好）。

（二）具體設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思路因此清晰，降低 f?主要有兩大途徑：

1.                      降低彈性元件剛度 k選用 “更軟" 的彈性元件，減少單位位移所需的力，從而降低系統(tǒng)剛度。例如：

TMC 氣浮隔振器利用壓縮空氣的低剛度特性，垂直剛度可低至 10N/m 以下，使系統(tǒng) f?降至 1.5-2.0Hz；

橡膠隔振器通過選用低硬度橡膠材料（如邵氏硬度 30-50 度），降低剛度，適用于中低頻振動(dòng)隔離。

2.                      增加被隔離質(zhì)量 M，在彈性元件剛度固定時(shí)，增大被隔離質(zhì)量可直接降低 f?。

例如：

精密光學(xué)設(shè)備常用 500-1000kg 的花崗巖平臺作為底座，通過增大 M，配合空氣彈簧的低 k 值，使系統(tǒng) f?降至 2Hz 以下；

半導(dǎo)體檢測設(shè)備通過加裝鑄鐵配重塊（質(zhì)量可達(dá) 200kg 以上），提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，降低 f?。關(guān)鍵權(quán)衡：“隔振性能" vs “系統(tǒng)穩(wěn)定性"

（三）       關(guān)鍵設(shè)計(jì)權(quán)衡

被動(dòng)隔振設(shè)計(jì)中存在兩大核心權(quán)衡，需根據(jù)設(shè)備場景靈活調(diào)整：

1、       “低 f?" 與 “靜態(tài)穩(wěn)定性" 的權(quán)衡

系統(tǒng)越 “軟"（k 越小，f?越低），隔振效果越好，但受擾動(dòng)后（如人員走動(dòng)、設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)）的恢復(fù)時(shí)間越長，靜態(tài)穩(wěn)定性越差。例如，f?=1Hz 的系統(tǒng)受擾動(dòng)后，恢復(fù)至靜止?fàn)顟B(tài)需 5-10 秒；而 f?=5Hz 的系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間僅需 0.5-1 秒。

優(yōu)化方案：控制靜態(tài)沉降量 ，同時(shí)通過優(yōu)化設(shè)備重心（如降低重心高度），提升抗傾覆能力。

2、       “共振抑制" 與 “有效隔振" 的權(quán)衡

增大阻尼（ζ 增大）可降低共振峰值，但會導(dǎo)致有效隔振區(qū)的 T 值增大，隔振效率下降；減小阻尼（ζ 減?。┠芴嵘行Ц粽裥?，但會使共振峰值升高。

優(yōu)化方案：根據(jù)激勵(lì)頻率與 f?的比值 r 調(diào)整 ζ：

若 r＞3（激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離 f?，共振風(fēng)險(xiǎn)低）：取小阻尼（ζ=0.05-0.1），優(yōu)先保證有效隔振效果；

若 r=1.5-2（激勵(lì)頻率接近 f?，共振風(fēng)險(xiǎn)高）：取大阻尼（ζ=0.2-0.3），優(yōu)先抑制共振峰值。

五、 被動(dòng)隔振設(shè)計(jì)常見誤區(qū)與優(yōu)化方向

在被動(dòng)隔振方案設(shè)計(jì)與選型中，易因?qū)υ砝斫獠簧钊雽?dǎo)致效果不佳，以下是三大常見誤區(qū)及優(yōu)化建議：

誤區(qū) 1：盲目追求低固有頻率 f?

問題：過度降低 f?會導(dǎo)致靜態(tài)沉降量 δst 大幅增大，可能引發(fā)高重心設(shè)備（如立式光刻機(jī)）傾覆，或使彈性元件（如彈簧）因過度壓縮而永jiu損壞；同時(shí)，過低的 f?會延長系統(tǒng)擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間，影響設(shè)備動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

優(yōu)化方向：根據(jù)設(shè)備使用場景設(shè)定合理 f?：

低頻振動(dòng)環(huán)境（如實(shí)驗(yàn)室地面 2-5Hz 振動(dòng)）：f?控制在 1.5-2.5Hz，確保f?＜2Hz，覆蓋低頻振動(dòng)；

中高頻振動(dòng)環(huán)境（如工廠車間 10-50Hz 振動(dòng)）：f?控制在 3-5Hz，平衡穩(wěn)定性與隔振效果；嚴(yán)格控制靜態(tài)沉降量，避免調(diào)平困難。

誤區(qū) 2：忽視阻尼的雙重作用，過度增減阻尼

問題：部分設(shè)計(jì)中為追求 “ji致隔振"，過度減小阻尼（ζ＜0.05），導(dǎo)致共振峰值 Tmax＞5，設(shè)備在共振頻率下運(yùn)行時(shí)精度嚴(yán)重受損；或?yàn)?“避免共振"，過度增大阻尼（ζ＞0.3），使有效隔振區(qū) T 值＞0.3（隔振效率＜70%），無法滿足精密設(shè)備需求。

優(yōu)化方向：基于激勵(lì)頻率分布調(diào)整阻尼：

先通過 VC 曲線檢測環(huán)境振動(dòng)頻率，確定主要振動(dòng)頻率 f 與系統(tǒng) f?的比值 r；

若 r＞3，選 ζ=0.05-0.1（如氣浮隔振器搭配低阻尼阻尼器）；

誤區(qū) 3：彈性元件與負(fù)載不匹配，剛度或承載能力失衡

問題：彈性元件選型時(shí)，未根據(jù) “設(shè)備重量 + 底座重量" 精確匹配剛度與承載能力：

剛度過高（k 過大）：導(dǎo)致 f?過高，有效隔振區(qū)起始頻率f?＞主要振動(dòng)頻率，無隔振效果；

承載能力不足（彈性元件額定負(fù)載＜實(shí)際負(fù)載）：彈性元件yong久變形，剛度失效；

承載能力過剩（額定負(fù)載遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)載）：彈性元件形變量過小，無法起到 “軟支撐" 作用，f?偏高。

優(yōu)化方向：精確計(jì)算總負(fù)載 Mtotal = 設(shè)備重量 + 底座重量，根據(jù) f?目標(biāo)值，通過公式計(jì)算所需剛度；選擇彈性元件時(shí)，確保其額定負(fù)載為 Mtotal 的 1.2-1.5 倍，避免超載或負(fù)載不足；

多支點(diǎn)隔振（如 4 個(gè)隔振器支撐設(shè)備）時(shí)，需保證各支點(diǎn)負(fù)載均勻，避免彈性元件受力不均導(dǎo)致剛度偏差。

六、 總結(jié)與TMC的實(shí)踐

隔振并非 “越嚴(yán)格越好"，而是需要基于 VC 曲線評估結(jié)果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)精度需求、環(huán)境振動(dòng)特性，選擇方案。TMC 的隔振技術(shù)之所以能在全球精密領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，核心在于其始終以 “理論為基、場景為導(dǎo)向"—— 從經(jīng)典的Gimbal Piston™氣浮隔振器到高阻尼的MaxDamp®系列，其設(shè)計(jì)都嚴(yán)格遵循這些基礎(chǔ)原理，并在工程上做到了ji致，為客戶在不同應(yīng)用場景下提供隔振解決方案。

下一篇內(nèi)容，我們將進(jìn)一步聚焦 TMC 被動(dòng)隔振產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)選型方法及典型行業(yè)應(yīng)用案例，幫助大家更好地掌握被動(dòng)隔振方案的選型與應(yīng)用，敬請期待！

---