物理性污染控制-第三章-振动污染及其控制

1、第三章 振动污染及其控制,第三章 振动污染及其控制,第一节 概述 第二节 振动基础第三节 振动的评价与标准第四节 振动控制技术第五节 减振材料与装置及其应用,二、振动污染源,三、振动的影响,一、振动与振动污染,第一节 概述,一、振动与振动污染,（一）,振动,（二）,振动污染,定义： （1）当一个物体处于周期性往复运动的状态，即可说物体在振动。 （2）任何一个可以用时间的周期函数来描述的物理量，都称之为振动。,（一）,振动,振动现象,物理现象：声、光、热等物理现象都包含振动； 生命和生活：心脏搏动、耳膜和声带的振动是人体 的基本功能。 工程技术领域：,桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动 飞机和

2、船舶在航行中的振动， 机床和刀具在加工时的振动， 各种动力机械的振动， 控制系统中的自激振动等。,振动污染： 振动超过一定的界限,从而对人体的健康和设施产生损害,对人的生活和工作环境形成干扰,或使机器、设备和仪表不能正常工作。,（二）,振动污染,振动污染的特点,主观性：是一种危害人体健康的感觉公害。,局部性：仅涉及振动源邻近的地区。,（一）工厂振动源 （二）工程振动源 （三）道路交通振动源 （四）低频空气振动源,自然振源,人为振源,地震、火山爆发等自然现象。 自然振动带来的灾害难以避免，只能加强预报减少损失。,二、振动污染源,自然振动,察隅地震，整个村庄被抛起,火山爆发,工业振动源：旋转机械、

3、往复机械、传动轴系、管道振动等，如锻压、铸造、切削、风动、破碎、球磨以及动力等机械和各种输气、液、粉的管道。 特征参数：常见工厂振源附近 面上加速度级：80140dB； 振级：60100dB； 峰值频率：10125Hz。,（一）工厂振动源,工程振动源：工程施工现场的振动源主要是打桩机、打夯机、水泥搅拌机、辗压设备、爆破作业以及各种大型运输机车等。 特征参数：常见工程振源附近 振级：60100dB。,（二）工程振动源,铁路振源： 频率：一般在2080Hz范围内； 离铁轨30m处的振动加速度级范围85100dB，振动级范围7590dB内。,（三）道路交通振动源,公路振源： 频率：一般在2160Hz

4、范围内，其中以563Hz的频率成分较为集中； 振级：多在6590dB范围内。,低频空气振动是指人耳可听见的100Hz左右的低频 如玻璃窗、门产生的人耳难以听见的低频空气振动。 这种振动多发生在工厂。,（四）低频空气振动源,按振动源的动态特征又可分成表3-1所示的四类。,表3-1 环境振动污染源动态特征,三、振动的影响,（一）,振动对生理的影响,（二）,振动对心理的影响,（三）,振动对工作效率的影响,（四）,振动对构筑物的影响,振动的生理影响主要是损伤人的机体，引起循环系统、呼吸系统、消化系统、神经系统、代谢系统、感官的各种病症，损伤脑、肺、心、消化器官、肝、肾、脊髓、关节等,（一）,振动对生理

5、的影响,振动对睡眠的影响试验,图3-1 由锻锤振动负荷引起的觉醒率,睡眠深度1度（浅睡眠）：振动级60dB无影响，69dB以上则全部觉醒； 深度2度（中度睡眠）：6065dB无影响，79dB全部觉醒；因2度睡眠占8小时睡眠时间的一半以上，故影响这种睡眠的振动级最令人厌烦； 睡眠深度3度（深睡眠）:74dB以上方会觉醒，觉醒几率很低； 睡眠深度REM(异相睡眠，指睡眠多梦期):振动影响介于深度2度和3度之间。,人们在感受到振动时，心理上会产生不愉快、烦躁、不可忍受等各种反应。 除振动感受器官感受到振动外，有时也会看到电灯摇动或水面晃动，听到门、窗发出的声响，从而判断房屋在振动。 人对振动的感受很

6、复杂，往往是包括若干其他感受在内的综合性感受。,（二）,振动对心理的影响,振动引起人体的生理和心理变化，导致工作效率降低。 振动可使视力减退，用眼工作时所花费的时间加长。 振动使人反应滞后，妨碍肌肉运动，影响语言交谈，复杂工作的错误率上升等。,（三）,振动对工作效率的影响,振动通过地基传递到构筑物，导致构筑物破坏。如，基础和墙壁龟裂、墙皮剥落，地基变形、下沉，门窗翘曲变形，构筑物坍塌，影响程度取决于振动的频率和强度。 由于共振的放大作用，其放大倍数可由数倍至数十倍，因此带来了更严重的振动破坏和危害。,（四）,振动对构筑物的影响,一、振动的基本物理量,二、振动的性质,三、简谐振动系统,四、波动的

7、产生与传播,第二节 振动基础,位移,频率,周期,加速度,速度,基本物理量,一、振动的基本物理量,定义：某个运动量（位移、速度或加速度） 按时间的正弦或余弦规律变化的振动。,（ x0为振幅、为角频率）,（3-3）,简谐振动是最简单的周期振动。,若正弦振动，则,加速度,图3-2 位移、速度、加速度的相位关系,位移、速度和加速度 的相位关系如图所示，相位差为/2，则位移和加速度相位相反。,（二）复合正弦波振动,二、振动的性质,如图，正弦波最大振幅为A，周期为T，频率为f，角速度=2f2/T，以时间t为横坐标,则瞬间振动振幅 可表示为,（3-4）,若以距离x为横坐标,则瞬间振动振幅 可表示为,（3-5

8、）,图3-3 正弦波,（二）复合正弦波振动,图3-4 正弦波的合成 （基波和3次谐波的相位影响）,振动频率相同的正弦波合成后仍是以相同频率振动的简谐振动。,定义：两个以上正弦波叠加后形成的新波称为复合正弦波。,在基波上含有3次谐波(基波的3 倍频波)的波形。 相对于基波分别相差90相位。 随着波形移动，其峰值(复合波的振幅)也随之变化。 这种复合波仍是周期波形。,冲击：指给予系统的激励。 与该系统的固有振动周期相比，这种激励能在很短时间内终结； 实际发生的冲击波振动时间往往并不很短，而是经过数个周期的衰减振动形式的过渡激励。,冲击性振动：冲压、锤锻之类的物体碰撞、下落运动产生的振动。,往往为公

9、害振动！,冲击波示例,图3-6 冲击波及其频谱示意图,图(a)是典型的单一矩形冲击波振幅A、持续时间T，显示从低频到高频具有均一频谱的冲击力。,图(b) 的正弦波半周期激励是近似实际的冲击波谱图。是物体具有弹性所致结果。,（二）受迫振动,（三）振动体与共振,三、简谐振动系统,（一）自由振动：无外力作用的振动,图3-8 弹簧自由振动示意图,在弹性系数为k的弹簧上 加一质量m，使其产生位 移后轻轻放开，则弹簧 作无阻尼自由振动。,实际振动系统有弹簧内摩 擦、滑动摩擦、空气或水 的阻力等各种阻尼作用， 是有阻尼自由振动。,（二）受迫振动：在外力反复作用下的振动,图3-11 受迫振动,固有频率,共振发

10、生的频率,共振烈度的表示,振动体与共振频率,固有频率（也称共振频率）,公害振动发生的主频率范围大约为1100Hz。 长跨度桥、天线、电缆、建筑物等的固有频率在此范围。 设备安装在房屋地板（楼板）上时，为了防止建筑物产生共振响应，需要对建筑物各构件各自的固有频率进行估算。,单自由度振动系的固有频率与质量、劲度常数及衰减系数相关。,激振力的频率与机械或构筑物的固有频率一致时，就会发生共振。,共振发生的频率,即阻尼比 = 0，频率比 = 1 时，呈共振状态 理论上振幅为无穷大。,无阻尼,阻尼比 0时，随 增大，最大位移振幅逐渐减小。 最大振幅产生的频率比为 最大振幅产生的频率为,（3-31）,（3-

11、33）,共振烈度的表示,（3-35）,共振烈度：振动产生的最大位移振幅。,通常的振动多是 1，则最大振幅倍率近似为,共振烈度的强度 ：,（3-36）,桥梁、天线、各类机械及构件等大多为棒状振动体。,设棒状体(圆形、方形、矩形板条)材料密度为，弹性模量为E，长度为l，振动体的共振频率为基频的整倍数n1，2，3，则 纵向共振频率 （3-37） 横向共振频率 式中， 与棒横截面半径或厚度成正比的量。,（3-38）,（二）共振引起的扩大,（三）振动波的种类与形态,（四）波动沿地面的传递特性,四、波动的产生与传播,波动产生的机理：激振力的作用。 由往复、旋转之类周期性运动产生的激振力直接作用于媒介物，就

12、会发生振动。 振动往往以波动的的形式迁移，或将周期性作用力施加到其它部件或基座上，形成振源。 典型的振源：压缩机、破碎机、自动织布机、各种风钻、振动输送机等。,共振现象的主要形式有4种,（1）包括基础在内的机器质量和支承基础的支承弹簧引发的力的传递即为共振。 （2）波动传递过程中，可能发生因地质构造引起地基共振的现象。 3）从受振（即受损方）还须考虑与振源同样的机械或建筑及其支承引起的共振。 （4）当机械或建筑的部分或部件的固有频率与传递来的激振力频率一致时，就会强烈共振。,纵波（压缩波或疏密波）:传播速度快，在振源观测时总是先到达观测点，故也称为一次波（Primary Wave，略作P波）

13、纵波传播以媒介体体积伸长或压缩的形式变化，质点沿波的行进方向作前后运动。,横波（剪切波）:又称二次波（Secondary Wave，略作S波） 横波中质点运动与波的传播方向垂直，媒介体体积不发生变化 。,实体波 （Body Wave）,瑞利波（Rayleigh Wave）：最具代表性的表面波，在公害振动中起重要贡献。 质点运动与波的传播方向垂直,表面波 （Surface Wave）,乐甫波(Love wave)：在不同固体表面层内发生的表面波。 质点运动与波传播方向垂直且水平移动。,图3-14 振动波的种类与形态,在流体场中必须考虑媒介体的体积弹性，因此 空气中只发生纵波。 液体表面发生以重力

14、和表面张力为恢复力的横波。 固体中，体积变化的阻尼产生纵波；形变阻尼导致横波产生。 在无限大的媒介体中传播的仅为纵波和横波 在性质完全不同的固体界面或固体与真空、固体与气体的界面产生表面波。,波动传递的顺序,波动的空间分布特征,波动随距离的衰减,波动的反射、折射和衍射,图3-15 振动波传递顺序示意图,作用于匀质且广阔的地表面上一点的纯冲击波，一般随着距离的增加，波形本身将产生变形。 假定波形传播时保持原状，则波动传递顺序： 首先观测到与地面平行的P波， 其次是S波， 而后是具有与地面垂直振动分量的R波。,距振源r0的基准点与距离r点的振幅比xr/x0为,（3-39）,式中， xr、x0 分别

15、为基准点和距离r点的振动位移振幅； 地基的衰减常数； n与波动类型相关的参数，表面波n=1/2。,式中右侧第1项是介质吸收引起的衰减，每隔一定距离衰减一定dB量；第2项是波面扩展引起的衰减，若为表面波，则每倍程衰减3dB。 振动以波动形式从振源传递到地面，随波动距离增加逐渐减小，直至衰灭 波的形态不同，n值不同，波动随距离r的衰减也不同。,图3-17 不同入射波的反射波和折射波,振动在固体中的反射、折射、衍射、透射基本原理同声场； 复杂处在于固体中纵波、横波、表面波共存，且传播速度不同。,图示为P波、S波从固体介质1传递到固体介质2的界面产生反射和折射的情况。 设P波、S波在介质1中的振动速度

16、分别为cp1、cs1，在介质2中的振动速度分别 为cp2、cs2。,不同波的强度受1cpl、1csl、2cp2、2cs2的影响，介质1和介质2的c比越大，材质越相异，反射波就越强，折射波越减少。,若界面的一侧是气体或液体，则其中只存在P波即压缩波(纵波)，界面阻抗显著变化，相互折射显著减少，与声场情况相同。 若为固-固界面，即使是异质材料，阻抗变化也很小，振动易于导入，折射透过也相当大。,二、环境振动标准,三、城市区域环境振动标准,一、振动的评价,第三节 振动的评价与标准,（一）振动的评价指标,（二）振动的评价标准,1.位移、速度和加速度,2.振动级,一、振动的评价,（一）振动的评价指标,1.

17、位移、速度和加速度,振动的振动量：是指 被测系统在选定点上 选定方向的运动量。,位移、速度和加速度 的换算关系 （p118图3-20 ）,描述振动量的基本参数,10Hz,0.01m/s2,0.16/s,2.5m,图3-20 振动量换算图,2.振动级,振动加速度级定义为,（3-42）,式中： 加速度有效值，m/s2，对简谐振动 ； 加速度参考值，m/s2，国外一般取 ，我 国取 。,一般用机械振动参数级来描述振动的强度，单位为分贝（dB）。,在环境振动测量中，一般选用振动加速度级和振动级作为振动强度参数。,2.振动级,人体对振动的感觉有关因素 振动频率的高低、 振动加速度的大小 振动环境中暴露时

18、间 振动的方向 综合诸多因素，国际标准化组织建议采用等感度曲线（图3-21）。,图3-21 等感度曲线,于是，由式（3-43 ）求得2台机器同时工作时的振动加速度级为,【例3-1】2台机器各自工作时，在某点测得的振动加速度有效值分别为2.6810-2m/s2和3.6210-2m/s2，试求2台机器同时工作时的振动加速度级。,解：2台机器同时工作时的振动加速度有效值为,（二）振动的评价标准,感觉阈：人体刚刚能够感觉到振动，对人体无影响； 不舒服阈：使人感到不舒服； 疲劳阈：使人感到疲劳，工作效率降低。工况下以此阈为标准，超过者即认为存在振动污染； 危险阈：此时振动会使人产生病变。,在生理学中，振动强度习惯以g（ ）为单位表示加速度。据此，人体对振动的感觉标准为,振动强弱对人体的影响大致可分为四种情况：,刚刚感到振动是0.003g； 不愉快的感觉是0.05g； 不可容忍感是0.5g。,国际标准化组织推荐使用ISO2631/11985标准作为评价人体在振动环境中疲劳界限标准。 我国根据这个标准制定了相应的国家标准人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则（GB/T1344292） 图3-22：垂直方向的振