浅一谈超低频隔振

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为什么要超低频隔振？

对于许多精密仪器和科学研究实验而言，特别是一些涉及高精度位置探测、微小力检测等仪器，地球脉动噪声和环境噪声一直以来都是影响其性能和结果的一大因素，因此隔振系统在其中发挥着重要的作用。

例如，精密扭秤系统常用于验证等效性原理或测量万有引力常数，地面振动噪声会对其测量结果造成极大的影响；评估加速度计本底噪声时也需要将地面的振动噪声隔离；引力波探测器由一个臂长约4km的迈克耳孙干涉仪构成，对环境噪声敏感，需要性能非常好的隔振系统提供一个较为理想的惯性参考点；在绝对重力测量中，无论是经典的自由落体重力仪还是原子干涉重力仪，都需要隔振系统。

地面振动噪声的来源和强度与时间、地基、周围环境息息相关，频率在0.5Hz以上的噪声来源主要是周围环境的噪声，比如建筑、树木的晃动和人类活动。频率在0.05~0.5Hz的噪声一般被称为地球脉动噪声，主要来源是海浪撞击海岸时在地壳中产生的表面波和体波，其中0.06~0.09Hz的噪声是撞击产生的基频，0.12~0.16Hz为其二次谐波，二次谐波的噪声幅值往往比基频的幅值更大。因此，为了有效地隔绝地球脉动噪声和周围环境振动噪声，隔振系统的本征频率须至少低于0.05Hz，一般浮动光学平台或传统隔振平台难以满足需求。

目前超低频隔振的方法

实现超低频隔振的方法主要有两种，一是用低频加速度计等传感器进行反馈控制实现超低本征频率，称为主动隔振；二是不采用反馈控制，通过结构实现超低本征频率，称为被动隔振。二者均可等效为“弹簧振子”系统，由于超低频水平隔振的“弹簧”不需要平衡“振子”的重力，可以使用刚度很小的“弹簧”，因此水平隔振系统相对于垂直隔振系统更容易实现。

低频隔振一直是众多科研机构研究的热点。VIRGO小组建成的七级气体弹簧隔振系统，LIGO小组研制的多级隔振堆，西澳大学研制的四级悬臂弹簧隔振系统在10Hz以上，都具有较好的隔振性能。

LIGO多级隔振系统

超低频水平隔振系统的研究也取得了很大的进展。折叠摆、X摆和锥摆等水平方向的隔振系统被相继提出，人们可以实现十秒到几十秒的共振周期。如折叠摆的共振周期值已经做到66s。采用撞击中心连接方式的折叠摆在7Hz处，对外界振动能够提供90dB的衰减。

然而，超低频被动垂直隔振系统的研究迟迟未取得突破性进展，其原因在于在垂直隔振中必须利用材料的弹性力来抵消引力作用。欲使系统的共振频率降得很低，原则上就需要负载弹簧有很大的垂向伸长。此时，弹簧的滞弹性效应将会明显地表现出来，它不仅限制了材料的选择范围，而且也对弹簧的加工提出了更高的要求。

超低频垂直隔振最具代表性的是美国Micro-g公司生产的Super Spring隔振系统。该系统应用于FG-5绝对重力仪，固有周期可达40~60s。其基本原理是，竖直悬挂一个弹簧振子，闭环控制弹簧上悬挂点跟踪振子在竖直方向的运动，以构造一个近似无限长的弹簧，理论上该系统可以实现无限长的固有周期。但是为了消除不同自由度之间的交叉耦合，Super Spring需要对隔振框架进行严格的运动限位，因此系统的机械结构十分复杂。

Wintertlood和Blair提出一种长周期被动垂直隔振系统模型。它的基本思想是，利用两个对称的扭杆弹簧系统所产生的几何非线性效应来实现长的共振周期。华中理工大学在此基础上对他们的模型进行改进，提高了系统的共振周期和隔振性能，系统的共振周期达21.3s（频率约0.05Hz）。2016年，清华大学提出了基于两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统，通过精细地调节弹簧悬挂点的位置，合理地设置控制参数，可以实现一个本征频率低至0.01 Hz 的系统。

随着精密测量、微弱信号检测的发展需求，对超低频隔振的要求也在不断提高。要实现更高要求的超低频隔振，或许还需要新的思路和设计。

主要参考文献：
[1] 赵鹏飞, 罗俊, 周泽兵, et al. 超低频被动垂直隔振系统研究[J]. 中国科学(A辑), 1999, 29(3):283-288.
[2] Robertson N A , Drever R W P , Kerr I , et al. Passive and active seismic isolation for gravitational radiation detectors and other instruments[J]. Journal of Physics E Scientific Instruments, 1982, 15(10):1101-1105.
[3] 李刚, 胡华, 伍康, et al. 基于零长弹簧的超低频垂直隔振系统研究[J]. 振动与冲击, 2015, 34(7):33-37.
[4] 王观, 胡华, 伍康, et al. 基于两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统[J]. 物理学报, 2016, 65(20).

来源：浙大现代导航技术及仪器研究中心微信公众号，作者：缪秋艳。