光學平臺隔振系統(tǒng)的主要功能是減弱因振動導致的光學元件相對位置改變。隔振桌腿用于將地面振動在到達桌面前過濾掉,而桌面蜂窩結構可以有效降低來自桌面的振動以及桌腿未能過濾的振動。
順應性曲線
順應性曲線(Compliance Curve)描述了平臺表面在響應振動時產生的形變。作為傳遞函數(shù)曲線,它表征桌面上一點在特定頻率下對動態(tài)作用力的位置響應。實測中該力由校準錘產生,當其擊打桌面時,輸出與力成正比的信號。蜂窩結構桌面的順應性曲線如下圖所示。
從0Hz開始直到數(shù)百赫茲,順應性向下直線遞減。這一斜率一致的區(qū)間亦稱為剛體線(Rigid Body Line),在該區(qū)間內桌面是剛性的,表面無相對運動。曲線的位置會因系統(tǒng)重量改變,但斜率始終取決于物理性質。圖中每十倍頻率衰減40dB這一斜率由受力加速度和位置改變的關系給出。
當頻率較高時,曲線會表現(xiàn)出不連續(xù)性。這些不連續(xù)的峰對應著平臺的固有共振(Natural Frequencies):第一個顯著的共振可能由扭轉或撓曲形變產生,而之后是其他模式和諧振。蜂窩結構相比花崗巖結構適合更多應用,正是因為較高的剛度——自重比(Stiffness-to-Weight Ratio)使其共振模式的頻率更高,從而在高頻下產生以下三項優(yōu)勢:
更少的來自環(huán)境的振動
來自給定加速度(受激力)的更小的位移(形變)
更有效的隔振系統(tǒng)
另外,順應性曲線還表征桌面阻尼的信息。阻尼可以降低平臺表面的相對運動,越尖銳的峰對應的阻尼越小。蜂窩結構通常比花崗巖結構包含更多固有阻尼,因此盡管花崗巖結構的順應度絕對值可能更小,但阻尼蜂窩結構的表面各點會有更少的相對運動。蜂窩結構平臺提供多種阻尼方式,其中寬帶阻尼技術在減低寬頻區(qū)間相對運動時更有效,而窄帶阻尼技術可以完全消除某一類(或多類)特定模式的共振。阻尼平臺的順應性曲線更平滑。
振動傳遞率曲線
振動傳遞率曲線(Transmissibility Curve)表達的是隔振桌腿的過濾功能。換言之,它表征有多少地面振動經由桌腿傳遞到桌面。該曲線由桌腿頂部和地面兩處的振動比測得。氣浮桌腿的振動傳遞率曲線如下圖所示。
曲線從(0Hz,0dB)原點開始。當頻率很低時,桌腿本質上是剛體,任何振動都會被傳遞到桌面。之后曲線上升,在1-2Hz時達到峰值。此即桌腿的固有共振(Natural Frequency)和最大放大倍數(shù)。圖中任何一處曲線高于1(Unity Transmission)時,桌腿都將放大振動。輕阻尼(Lightly Damped)隔振腿對應高而尖的峰,而重阻尼(Heavily Damped)隔振腿對應低而平滑的峰。大多數(shù)桌腿在固有共振頻率處都放大3到4倍振動。當頻率增大并超過桌腿共振頻率后,曲線迅速下降,振動傳遞率降到1以下后桌腿開始“隔振”。開始隔振時的頻率(Crossover Frequency)約為固有共振頻率的1.4倍。隨著曲線下降,機械高通濾波愈加有效。大部分桌腿在10Hz時可過濾超過90%的地面振動,100Hz時可過濾99%的振動。
優(yōu)質光學隔振平臺的設計應遵循:
盡量高的桌面共振頻率,以將地面振動的影響最小化
盡量低的桌腿共振頻率,以最大化地過濾高頻振動
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